CN116670374A - 自扩张式高膨胀密封件 - Google Patents

Abstract

本文中所述的实施方案提供一种包括密封装置和负荷保持/均衡机构的井下工具(例如，可收回的桥塞)。所述密封装置包括弹性体密封部件和膨胀装置，所述膨胀装置被配置为径向向外膨胀以将所述弹性体密封部件抵靠里面定位有所述井下工具的井筒套管压缩。所述密封装置还包括下部支撑屏障和上部支撑屏障，所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障被配置为抵靠所述井筒径向向外膨胀。所述密封装置还包括密封增能弹簧，所述密封增能弹簧被配置为维持所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的初始坐封力。所述负荷保持/均衡机构包括滑阀/扩张阀，所述滑阀/扩张阀被配置为基于相对于所述井下工具的井上第一容积与相对于所述井下工具的井下第二容积之间的差压将流体引导到内部容积中以使所述弹性体密封部件径向向外扩张。

Description

自扩张式高膨胀密封件

相关申请的交叉参考

本申请要求2020年11月23日提交的美国非临时申请第17/101283号的优先权权益，所述美国非临时申请全部并入本文供参考并且应被视为本说明书的一部分。

背景技术

本公开大体来说涉及使用用于油田装置中的膨胀与塌缩设备(包括但不限于在井筒中运行的抗挤压环、插塞、封隔器、锁闸、贴合工具、连接系统和可变直径工具)来形成自扩张式密封件的系统和方法。

本章节旨在向读者介绍可与本技术的各个方面相关的技术的各个方面，本公开的各个方面在下文加以描述和/或要求保护。相信本论述有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本公开的各个方面。因此应理解，这些陈述应从这个角度加以解读，而不是作为任何形式的承认。

在机械工程的很多领域并且具体来说在烃钻探和生产领域，提供膨胀机构以实现管状部件的物理相互作用已为人熟知。膨胀机构可向外膨胀以与外表面接合或可向内塌缩以与内表面接合。应用多种多样并且有所不同，但在烃钻探和生产中，应用可包括致动和设定流动屏障和密封元件，诸如插塞和封隔器、诸如井筒锚定件的锚定和定位工具、套管和衬管吊架以及用于设定井下装备的锁定机构。其他应用包括为诸如弹性体或可扩张气囊的元件提供抗挤压、机械支撑或顶撑。例如，典型的抗挤压环定位在封隔器或密封元件与其致动卡瓦构件之间，并且由分离式或分段式金属环形成。在部署封隔器或密封元件期间，所述区段移动到径向膨胀状态。在膨胀期间并且在径向膨胀状态下，由于所述区段需要占据更大的环空体积，因此所述区段之间形成空间。这些空间形成挤压间隙，这可导致在工作状态下封隔器或密封件失效。

已提出各种配置来将抗挤压区段之间的空间效应最小化，包括提供多层环使得区段的偏移布置阻挡挤压间隙。例如，美国专利第6,598,672号描述了用于封隔器总成的抗挤压环，所述抗挤压环具有周向偏移以在周向偏移位置形成间隙的第一环部分和第二环部分。美国专利第2,701,615号公开了一种井封隔器，所述井封隔器包括冠状弹簧金属元件的布置，所述冠状弹簧金属元件通过相对移动来膨胀。其他提案(例如美国专利第3,572,627号、美国专利第7,921,921号、美国专利申请公布第2013/0319654号、美国专利第7,290,603号和美国专利第8,167,033号中所公开的提案)包括周向搭接区段的布置。美国专利第3,915,424号描述了呈钻井BOP配置的类似布置，在所述钻井BOP配置中，通过径向力致动重叠的抗挤压构件以使所述重叠的抗挤压构件径向并且周向地移动到支撑环形密封元件的塌缩位置。所述布置避免在膨胀期间引入挤压间隙，但产生了具有不均匀或阶梯形的面或侧翼的环。这些配置不能为密封元件提供不间断的支撑壁，空间效率低下并且可能难以可靠地恢复到其塌缩配置。美国专利第8,083,001号提出一种使两组楔形区段相对于彼此轴向地滑动而将所述两组楔形区段放在一起以形成膨胀规环的替代配置。现有的膨胀与塌缩设备的应用受到可达成的膨胀比率限制。在锚定、定位、坐封、锁定和连接应用中，径向膨胀与塌缩结构通常当在其外径增大时周向地分布在离散位置处。这会减小可用于接触辅助接合表面的表面积，并且因此限制给定大小的装置的最大力和压力额定值。

发明内容

下文陈述本文中所述的特定实施方案的综述。应理解，呈现这些方面仅是为了为读者提供这些特定实施方案的简要综述并且这些方面不旨在限制本公开的范围。

本公开的特定实施方案包括一种方法，所述方法包括将井下工具运行到由井筒套管形成的井筒中，其中所述井下工具包括密封装置和负荷保持/均衡机构。所述方法还包括使所述密封装置的下部支撑屏障抵靠井筒套管径向向外膨胀。所述方法还包括使所述密封装置的膨胀装置径向向外膨胀以将所述密封装置的弹性体密封部件抵靠所述井筒套管压缩。所述方法还包括使用所述密封装置的密封增能弹簧来维持所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的初始坐封力。所述方法还包括使所述密封装置的上部支撑屏障抵靠所述井筒套管径向向外膨胀。所述方法还包括使用所述负荷保持/均衡机构的滑阀/扩张阀来将流体引导到所述膨胀装置内的内部容积中以使所述弹性体密封部件径向向外扩张以形成所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的主坐封力，其中所述滑阀/扩张阀基于相对于所述井下工具的井上第一容积与相对于所述井下工具的井下第二容积之间的差压将所述流体引导到所述内部容积中。

本公开的其他实施方案包括一种井下工具，所述井下工具包括密封装置和负荷保持/均衡机构。所述密封装置包括弹性体密封部件。所述密封装置还包括膨胀装置，所述膨胀装置被配置为径向向外膨胀以将所述弹性体密封部件抵靠里面定位有井下工具的井筒套管压缩。所述密封装置还包括下部支撑屏障和上部支撑屏障，每个支撑屏障被配置为抵靠所述井筒径向向外膨胀，其中所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障设置在所述膨胀装置的相对轴向端上。所述密封装置还包括密封增能弹簧，所述密封增能弹簧被配置为维持所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的初始坐封力。所述负荷保持/均衡机构包括滑阀/扩张阀，所述滑阀/扩张阀被配置为将流体引导到所述膨胀装置内的内部容积中以使所述弹性体密封部件径向向外扩张以形成所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的主坐封力，其中所述滑阀/扩张阀基于相对于所述井下工具的井上第一容积与相对于所述井下工具的井下第二容积之间的差压将所述流体引导到所述内部容积中。

可关于本公开的各个方面对上述特征进行各种改进。另外的特征同样也可并入这些各个方面中。这些改进和另外的特征可单独存在或以任何组合形式存在。举例来说，下文关于所说明的实施方案中的一者或多者论述的各种特征可单独地或以任何组合形式并入到本公开的上述方面中的任一者中。上文呈现的简要综述旨在使读者熟悉本公开的实施方案的某些方面和上下文，而不限制要求保护的主题。

附图说明

在阅读以下详细描述并参考附图之后，可更好地理解本公开的各个方面，在附图中：

图1A至图1D是根据本公开的实施方案的被示出处于塌缩状态的设备的相应的透视图、第一端视图、部分截面图和第二端视图；

图2A至2D是根据本公开的实施方案的图1A至图1D的被示出处于膨胀状态的设备的相应的透视图、第一侧视图、部分截面图和第二侧视图；

图3是根据本公开的实施方案的从一侧示出的图1A至图1D的设备的元件的几何表示；

图4A至图4F是根据本公开的实施方案的图1A至图1D的设备的元件的相应的第一透视图、第二透视图、平面图、第一端视图、下部视图和第二端视图；

图5A至图5C是根据本公开的实施方案的处于塌缩状态的设备的相应的等距视图、侧视图和端视图；

图6A至图6C是根据本公开的实施方案的图5A至图5C的处于部分膨胀状态的设备的相应的等距视图、侧视图和端视图；

图7A至图7C是分别是根据本公开的实施方案的图5A至图5C的处于完全膨胀状态的设备的等距侧视图和端视图；

图8是根据本公开的实施方案的从一侧示出的图5A至图5C的设备的元件的几何表示；

图9A至图9F是根据本公开的实施方案的图5A至图5C的设备的元件的相应的第一透视图、第二透视图、平面图、第一端视图、下部视图和第二端视图；

图10A和图10B是根据本公开的实施方案的处于塌缩位置的设备的相应的等距视图和纵向截面图；

图10C和图10D是根据本公开的实施方案的图10A和图10B的设备分别穿过线C-C和线D-D的相应的横截面图；

图11A和图11B是根据本公开的实施方案的图10A至图10D的处于膨胀状态的设备的相应的等距视图和纵向截面图；

图11C和图11D是根据本公开的实施方案的图11A和图11B的设备的分别穿过线C-C和线D-D的相应的横截面图；

图12是根据本公开的实施方案的图10A至图10D的设备的结构元件的等距视图；

图13是根据本公开的实施方案的图10A至图10D的设备的环元件的等距视图；

图14A和图14B是根据本公开的实施方案的参考虚拟圆锥体的图12的结构元件的视图，所述结构元件是所述虚拟圆锥体的一个区段；

图15A至图15C是根据本公开的实施方案的用于理解可如何形成本文中所述的结构元件的几何参考图；

图16A至图16C是根据本公开的实施方案的设备的环元件的相应的第一等距端视图、下端视图和第二等距端视图；

图17A和图17B是根据本公开的实施方案的设备的结构元件的相应的第一等距视图和第二等距视图；

图18A和图18B是根据本公开的实施方案的分别处于塌缩状态和膨胀状态的设备的纵向截面图，所述设备包含图16A至图17B的环元件和结构元件；

图19A至图19C是根据本公开的实施方案的处于塌缩状态的设备的相应的等距视图、纵向截面图和端视图；

图20A至图20C是根据本公开的实施方案的图19A至图19C的处于膨胀状态的设备的相应的等距视图、纵向截面图和端视图；

图21A至图21C是根据本公开的实施方案的处于塌缩状态的设备的相应的等距视图、纵向截面图和横截面图；

图22A和图22B是根据本公开的实施方案的图21A至图21C的处于膨胀状态的设备的相应的部分剖开等距视图和纵向截面图；

图22C和图22D是根据本公开的实施方案的图22A和图22B的设备穿过线C-C和线D-D的相应的横截面图；

图23A至图23C是根据本公开的实施方案的处于塌缩状态的密封设备的相应的等距视图、纵向截面图和端视图；

图24A至图24C是根据本公开的实施方案的图22A至图22C的处于膨胀状态的设备的相应的等距视图、纵向截面图和端视图；

图25A和图25B是根据本公开的实施方案的处于塌缩状态的设备的相应的等距视图和截面图；

图26A和图26B是根据本公开的实施方案的图25A和图25B的处于部分膨胀状态的设备的相应的等距视图和截面图；

图27A和图27B是根据本公开的实施方案的图25A至图26B的处于完全膨胀状态的设备的相应的等距视图和截面图；

图28是根据本公开的实施方案的两个中心环元件、两对成组的支撑元件和两对基座元件的透视图，所述透视图示出图25A至图27B的设备的这些元件彼此如何相互作用；

图29A至图29D是根据本公开的实施方案的图25A至图27B的设备的支撑元件的各种视图；

图30是支撑元件的部分透视图，所述部分透视图示出由设置于所述支撑元件的第一端上的铰链形成的轴线；

图31A至图31B是根据本公开的实施方案的用于理解可如何形成本文中所述的支撑元件的几何参考图；

图32A至图32G是根据本公开的实施方案的用于理解可如何形成本文中所述的支撑元件的几何参考图；

图33A至图33E是根据本公开的实施方案的图25A至图27B的设备的环元件的各种视图；

图34A至图34B是根据本公开的实施方案的用于理解可如何形成本文中所述的环元件的几何参考图；

图35是根据本公开的实施方案的环元件的部分侧视图；

图36A和图36B是根据本公开的实施方案的图25A至图27B的设备的基座元件的透视图；

图37A至图37C是示出根据本公开的实施方案的包括密封装置的示例性井下工具的横截面图；

图38示出根据本公开的实施方案的处于塌缩状态和膨胀状态的井下工具的透视图，所述井下工具具有卡瓦/锚定件和密封装置；

图39A至图39E是示出根据本公开的实施方案的井下工具从未坐封状态转变到完全坐封状态的顺序的横截面图；

图40A和图40B是根据本公开的实施方案的井下工具的密封装置的横截面图；

图41是根据本公开的实施方案的井下工具的负荷保持/均衡机构的横截面图；

图42A和图42B是根据本公开的实施方案的井下工具的密封装置的支撑屏障的示例性支撑屏障元件和相关联基座元件的透视图；

图43A和图43B是根据本公开的实施方案的分别处于完全塌缩状态和完全膨胀状态的井下工具的密封装置的支撑屏障、膨胀装置和弹性体密封部件的横截面图；

图44A和图44B是根据本公开的实施方案的当井上容积与井下容积之间的差压在井上容积中较高时井下工具的负荷保持/均衡机构和密封装置的横截面图；

图45A和图45B是根据本公开的实施方案的当井上容积与井下容积之间的差压在井下容积中较高时井下工具的负荷保持/均衡机构和密封装置的横截面图；

图46是根据本公开的实施方案的用于使井下工具从未坐封状态转变到完全坐封状态的方法的流程图；

图47是根据本公开的实施方案的井下工具的密封装置的部分横截面图，其中所述密封装置设置在井下工具的卡瓦/锚定件的相对轴向侧上；

图48是根据本公开的实施方案的井下工具的密封装置的部分横截面图，其中所述密封装置包括下部支撑结构和上部支撑结构；并且

图49是根据本公开的实施方案的当密封装置包括设置在密封装置的膨胀装置的相对轴向侧上的两对支撑屏障时井下工具的密封装置的部分横截面图。

具体实施方式

下文将描述本公开的一个或多个具体实施方案。这些描述的实施方案仅是现在公开的技术的示例。另外，为了提供对这些实施方案的简洁描述，说明书中可不描述实际实施方式的所有特征。应当了解，如同在任何工程或设计项目中一样，在开发任何此类实际实施方式时，都必须作出与实施方式特定相关的众多决定以实现开发人员的特定目标，诸如遵守系统相关和业务相关的约束，这些约束可能会随实施方式而变化。此外，应了解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但对受益于本公开的普通技术人员而言，这仍将是设计、制作和制造中的常规任务。

当介绍本公开的各种实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”和“所述”旨在意指存在一个或多个所述要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着可存在除所列要素之外的附加要素。另外，应理解，不意欲将对本公开的“一个实施方案”或“实施方案”的提及解释为排除也并入所列举特征的另外实施方案的存在。

如本文中所使用，术语“连接”、“连接的”和“与……连接”用于意指“与……直接连接”或“经由一个或多个元件与……连接”；并且术语“组”用于意指“一个元件”或“多于一个元件”。此外，术语“联接”、“联接的”、“联接在一起”和“与……联接”用于意指“直接联接在一起”或“经由一个或多个元件联接在一起”。如本文中所使用，指示相对于给定点或元件的位置的术语“上”和“下”、“井上”和“井下”、“上部”和“下部”、“顶部”和“底部”和其他相似术语用于更清楚地描述一些元件。通常，这些术语涉及一个参考点，以从其开始钻井作业的地表为顶部(例如，井上或上部)点，并且以沿钻井轴线的总深度为最低(例如，井下或下部)点，无论井(例如，井筒、井眼)是竖直的、水平的还是相对于地表倾斜的。

本公开大体来说涉及一种用于油田装置的膨胀与塌缩设备，包括在井筒中运行的抗挤压环、插塞、封隔器、锁闸、贴合工具、连接系统和可变直径工具。本文中所述的实施方案实现相对高膨胀的应用。另外，在最优膨胀状态下，各个元件的外表面组合以形成在所述各个元件之间没有间隙的完整的圆，并且因此所述设备可被优化成具有特定直径，以形成环结构的内表面或外表面上没有挤压间隙的浑圆的膨胀的环(在制造容差以内)。本文中所述的膨胀设备的设计还具有不充分膨胀或过度膨胀的程度(例如，到略微不同的径向位置)不会引入很大间隙的益处。另外，本文中所述的元件在膨胀之前、在整个膨胀过程中和在膨胀之后相互支撑，并且在膨胀期间或在完全膨胀位置处各个元件之间不会形成间隙。另外，呈周向环的元件布置便于在膨胀的环结构上提供平滑的侧面或侧翼。这使得能够在轴向上极为接近其他功能元件地使用设备，和/或将所述设备用作部署其他膨胀结构的坡道或表面。另外，本文中所述的环结构中的每一者提供平滑的不间断周向表面，所述平滑的不间断周向表面可用于接合或锚定应用中，包括插塞、锁闸和连接件。这可提供增大的锚定力或与限定在锁定或闩锁轮廓中的上部凸肩和下部凸肩的完全邻接，从而使得工具或装备被额定到更高的最大工作压力。

另外，本公开大体来说涉及在例如高膨胀可收回的桥塞中使用膨胀与塌缩设备作为密封装置的一部分。本文中所述的实施方案解决在密封装置的密封元件(例如，橡胶元件)不会过度变形或甚至不受损的情况下形成高膨胀密封的问题。一般来说，密封元件变形超过了这种膨胀比率可致使密封装置的恢复变得相对困难。另外，在某些情况下，抵靠套管形成压缩密封的薄隔膜经常不够稳健以至于不能承受相对大的差压。另外，在某些情况下，挤压屏障的缺失提供了压力和温度极限。

本文中所述的实施方案使得能够在不需要向密封装置中泵送以使所述密封装置扩张的情况形成相对高压的可扩张密封。更确切地说，通过使用本文中更详细描述的膨胀与塌缩设备来形成初始密封，可使用井差压来扩张密封隔膜。接着，密封隔膜能够抵靠膨胀与塌缩设备的支撑区段保持胀开。如此一来，抵靠套管的初始密封并不需要保持全差压。更确切地说，抵靠套管的初始密封仅需要保持橡胶隔膜的扩张压力即可。如此一来，可形成高膨胀密封，所述高膨胀密封不需要相对高压缩负荷来保持差压，具有与密封装置无关的令人满意的挤压屏障，且不要求密封隔膜塑性变形，借此有助于密封装置恢复并且减小在坐封期间受损的可能。

首先参考图1A至图4F，参考呈简单的环形式的膨胀设备10描述本公开的实施方案的原理。在此实施方案中，膨胀设备10包括膨胀环结构，所述膨胀环结构被配置为从第一塌缩或未膨胀状态(图1A至图1D中示出)膨胀为第二膨胀状态(图2A至图2D中示出)。由于这些图中所示出的设备10可操作以从正常的塌缩状态移动到膨胀状态，因此为方便起见可将设备10称为“膨胀设备”。然而，由于设备10能够根据操作状态膨胀或塌缩，因此设备10同样可被称为“塌缩设备”、“膨胀与塌缩设备”或“膨胀和/或塌缩设备”。

如所示出，在某些实施方案中，膨胀设备10包括组装在一起以形成环结构11的多个元件12，所述环结构限定内环表面，所述内环表面由圆柱体14的外表面支撑。在某些实施方案中，每个元件12包括内表面20、外表面21以及第一接触表面22和第二接触表面23。在某些实施方案中，第一接触表面22和第二接触表面23可定向在不平行的平面中，所述不平行的平面与以设备10的纵向轴线为中心的圆相切。在某些实施方案中，第一接触表面22和第二接触表面23的不平行定向平面朝向元件12的内表面20会聚。因此，在某些实施方案中，每个元件12可大致呈楔形体形式，并且所述楔形体可以在周向上重叠的方式组装在一起以形成环结构11。在操作中，相邻元件12的第一接触表面22与第二接触表面23相互支撑。

如图3中所示出，当环结构11膨胀到其最优外径时，第一接触表面22和第二接触表面23的定向平面与环结构11的内表面相交，并且相交线与设备10的纵向轴线一起限定圆柱体的扇区。在这种实施方案中，环结构11由24个相同的元件12形成，且圆心角θ₁为大约15度。在第一接触表面22的定向平面与第二接触表面23的定向平面之间的所述角度与圆柱体扇区的圆心角相同(例如，在某些实施方案中在2度以内、在1.5度以内、在1度以内、在0.5度以内或甚至更接近)，使得元件12被布置成在结构11中旋转对称。

如所示出，在某些实施方案中，每个元件12基于以轴线为中心的环的设想楔形区段，其中每个设想楔形区段相对于环的径向方向倾斜。一般来说，区段的标称外径处于环的最优膨胀状态下(其中示出半径为r₁)。

如所示出，在某些实施方案中，元件12的第一接触表面22和第二接触表面23的定向平面在点t₁、t₂处与半径为r₃并且与环同心的圆相切。在切点之间的所述角度等于区段的角度θ₁。每个设想楔形区段的第一接触表面22和第二接触表面23的定向平面在径向平面P上彼此相交，所述径向平面P将位于切点处的径向平面二等分(即，径向平面P相对于两个径向平面成角度θ₁/2)。此相交平面P限定区段的膨胀和塌缩路径。

在图1A至图2D中所示的配置中，通过移除楔形体的尖端29来修改设想楔形区段，以在环处于图2A和图2D中所示出的其膨胀状态时提供半径为3/4的弯曲或弧形的内表面20。对楔形元件12的修改被视为将穿过环结构的内孔的直径增大2(r₂-r₃)或截短内径。内径从与接触表面22、23相切的设想内径r₃到截短内径的这种改变具有改变接触表面22、23与来自环的中心的径向平面之间的角度的效果。将角度θ₂作为在接触表面22、23与径向平面(限定在环结构的中心点与定向表面22、23和在内表面20的径向位置处与圆交会或相交的点之间)之间的所述角度，θ₂可根据区段的内径被截短的量而改变。对于设想楔形区段来说，接触表面22、23的定向平面在内径处与圆相切(即，角度θ₂为大约90度)。对于已修改的元件12来说，接触表面22、23的定向平面替代地在(增大的)内径处与圆相交且以减小的角度θ₂倾斜。

在某些实施方案中，区段倾斜的角度θ₂与从设想楔形区段移除的材料量相关，但不受楔形体的圆心角θ₁影响。角度θ₂被选择成提供适合于制造的元件尺寸、稳健性和在塌缩的环的期望的环空体积以及内径和外径内的适配。当角度θ₂接近90度时，元件12形成更浅更精细的楔形体轮廓，这可能够优化环结构的塌缩容积。尽管更浅更精细的楔形体轮廓可在塌缩状态中具有减小在环的内表面处形成的间隙的大小和/或实现更紧凑的塌缩状态的效果，但可能会导致一些后果，包括在元件12的内表面20引入扁平的部段，这在处于膨胀或部分膨胀状态中时表现为环的内径处的空间。当θ₂为90度且区段与内径完全相切时，在给定外径和内径的情况下的塌缩容积最高效，但环结构的内表面是多边形的，存在由每个区段形成的扁平部段。然而，可不期望存在这些扁平部段。元件12的制造、元件12以及组装的环结构11的稳健性方面也可能存在潜在的困难。然而，在很多应用中，在膨胀的环的内表面的轮廓可能不重要的情况下，例如当环结构的内径是浮动的和/或真实内径是由致动楔形体轮廓而非由环的内表面限定时，这种折衷可不会危害设备10的操作，并且减小的塌缩容积可证明(或大约)90度的倾斜θ₂是合理的。

在图1A至图4F中所示出的设备10中，角度θ₂为大约75度。将θ₂放松到减小的角度将为膨胀的环提供平滑的外径和内径轮廓，原因在于内圆弧的一部分可以略微增大塌缩容积为代价而得以保留。应注意，角度θ₂不受角度θ₁影响。在期望环结构11具有圆形内表面的情况下，某些实施方案可具有在(90度-2θ₁)至90度(包含90度)范围内的角度θ₂，并且某些实施方案可具有在大约70度至大约90度范围内(例如，在某些实施方案中，在大约73度至大约90度范围内)的角度θ₂。一般来说，为了提供对内径的充分截短以保留内弧的有用部分并且为环结构11提供平滑的内表面，可使用θ₂的最大值(90度-θ₁/2)。在所述实施方案中，此最大值将是大约82.5度。

在其他实施方案中，在不从形成元件12的设想楔形区段的尖端29移除材料的情况下，所述设想楔形区段的几何形状可不会改变(除了提供功能构架之外，诸如用于元件12的互锁和/或保持)。当不要求环结构11具有圆形内表面时，可期望这种实施方案。

如图4A至图4F中所示出，元件12的第一接触表面22和第二接触表面23中可形成有对应的互锁轮廓24，使得相邻的元件12可彼此互锁。在这种实施方案中，互锁轮廓包括燕尾槽25和对应的燕尾榫舌26。互锁轮廓24阻挡环结构11中的元件12的周向和/或径向分离，但允许相邻的元件12之间相对地滑动运动。互锁轮廓24也促进元件12在使用期间平滑且均匀地膨胀和收缩。将了解，可在本公开的范围内使用互锁轮廓24的替代形式，例如包括其他形状和形式的凹部和突出部。

在某些实施方案中，元件23还可包括倾斜侧壁部分27，所述倾斜侧壁部分27在使用中可便于部署设备10。在某些实施方案中，侧壁部分27形成为倒置的圆锥形，当设备10处于其最大负荷状态(例如，通常处于其最优膨胀状态)时，所述倒置的圆锥形对应于致动圆锥形楔形体轮廓的形状和曲率。

在某些实施方案中，每个元件12还可配备有凹槽28，且在组装的环结构中，所述凹槽对准以提供围绕环延伸的圆形凹槽。所述凹槽容置偏置元件(未示出)，例如SmalleySteel Ring Company以Spirolox品牌销售的那种类型的螺旋形保持环、或卡紧弹簧。在这种实施方案中，偏置装置可位于元件12的外表面周围，以将设备10朝向图1A至图1D中所示的塌缩状态偏置。尽管图中示出用于容置偏置装置的一个凹槽，但在其他实施方案中，可替代地提供多个凹槽和偏置装置。

在某些实施方案中，设备10包括楔形体构件16，在此种情形中，所述楔形体构件是具有与环结构11的一侧相对的圆锥形表面18的环形环。楔形体角度与元件12的倾斜圆锥形侧壁27的角度对应。可在环结构11的相对侧上任选地提供对应的楔形轮廓(未示出)以促进环元件12膨胀。在其他实施方案中，这种任选的另外楔形体可被替换成邻接凸肩。

现在将更详细地描述膨胀设备10的操作。在图1C中所示出的第一塌缩或未膨胀状态中，元件12组装成环结构11，所述环结构扩展到第一外径。在这种配置中并且如图1B和图1C中所示出，楔形体构件16限定设备10在第一状态下的最大外径。在某些实施方案中，螺旋形保持环(未示出)将元件12朝向未膨胀状态偏置，并且所述元件在内表面上由圆柱体14的外表面支撑。

在使用中，对楔形体构件16施予轴向致动力。可使用此领域中已知的很多适合装置中的任一者来施加轴向致动力，例如从定位在圆柱体14周围的外套筒施加力。所述力使得楔形体构件16相对于圆柱体14轴向地移动，并且将轴向力的分量传递到元件12的凹陷侧壁上。楔形体的角度将径向的力分量传递到元件12，这使得所述元件沿着其相应的接触表面22、23相对于彼此滑动。

膨胀元件12的移动与绕设备10的纵向轴线限定的圆相切。元件12的接触表面22、23在膨胀之前、期间和之后彼此相互支撑。元件12的径向位置在持续施加轴向致动力时增大，直到元件12位于所期望的外径向位置处为止。此径向位置可由楔形体构件的受控且受限的轴向位移限定，或替代地可由里面设置有设备10的孔或管的内表面确定。

图2A至图2D示出处于其膨胀状态的设备10。在图2B和图2D中所示的最优膨胀状态下，各个元件12的外表面组合以形成各个元件12之间没有间隙的完整的圆。膨胀设备10的外表面可被优化成具有特定直径，以形成环结构11的内表面或外表面上没有挤压间隙的浑圆的膨胀的环(在制造容差以内)。膨胀设备10的设计还具有不充分膨胀或过度膨胀的程度(例如，到略微不同径向位置)不会引入很大的间隙的益处。

所述实施方案的特征是，元件12在膨胀之前、在整个膨胀过程中和在膨胀之后相互支撑，并且在膨胀期间或在完全膨胀位置处各个元件12之间不会形成间隙。另外，呈周向环的元件12的布置及其在与纵向轴线垂直的平面中的移动便于在膨胀的环结构11上提供平滑的侧面或侧翼。此外，在元件12部署在环结构11的平面中的情况下，环结构11的总宽度不改变。这使得能够在轴向上极为接近其他功能元件地使用设备10。

设备10具有各种各样的应用，在以下示例性实施方案中示出所述各种应用中的一些应用。然而，设备10的另外应用是可能的，另外应用利用所述设备的能力有效地执行以下中的一者或多者：阻塞或密封环形路径；接触辅助表面；抵靠辅助表面夹紧或锚定；对径向间隔开的轮廓进行定位或接合；和/或支撑径向间隔开的部件。本文中所呈现的实施方案将上文所述的原理扩展到包括对于需要增大的膨胀比率的系统来说具有特殊的应用和优点的结构元件、环元件及其组合的组合的膨胀设备10。

现在参考图5A至图7C，示出根据本公开的某些实施方案的膨胀设备50。图5A至图5C是所示的处于塌缩状态的位于中心心轴60上的设备50的相应的等距视图、侧视图和端视图。图6A至图6C是处于部分膨胀状态的设备50的对应视图，且图7A至图7C是处于完全膨胀状态的设备50的对应视图。

如所示出，在某些实施方案中，设备50包括由多个元件形成的膨胀总成51，所述多个元件包括组装在一起以形成居中设置的环结构54的一组环元件52以及两组55a、55b结构元件56。环元件52类似于上文所述的元件12，且所述环元件的形式和功能将依据图1A至图4F及其随附描述来理解。环元件52在图8和图9A至图9F中更详细地示出，并且包括内表面和外表面、第一接触表面和第二接触表面、互锁轮廓、以及用于保持周向弹簧的凹槽，所述特征在形式和功能上等效于上文所述的元件12的特征。在某些实施方案中，呈周向弹簧(未示出)形式的偏置装置将中心环结构保持在图5A至图5C中所示的其塌缩状态中。

各个环元件52的几何形状与上文所述的环元件12的几何形状的不同在于，环元件52是基于未经修改的设想楔形区段(除了提供功能构架之外，诸如用于元件的互锁和/或保持)并且未从设想楔形区段的尖端移除材料。当不要求环结构具有圆形内表面时，如在设备50具有“浮动”环结构的情形中，可特别需要这些实施方案。

如图8和图9A至图9F中所示出，在某些实施方案中，每个元件包括外表面221以及第一接触表面222和第二接触表面223。第一接触表面222和第二接触表面223定向在不平行的平面中，所述不平行的平面与以设备50的纵向轴线为中心且半径为r₃的圆相切。环结构的内表面限定在r₃处，并且因此定向平面完全相切(且角度θ₂为大约90度)。所述平面朝向环元件52的内表面会聚到径向平面P上的相交线，所述径向平面P在切点处将径向平面二等分(即，径向平面P相对于两个径向平面成θ₁/2的角度)。此相交平面P限定区段的膨胀和塌缩路径。因此，每个环元件52大致呈楔形体形式，且楔形体以周向重叠的形式组装在一起以形成环结构54。在使用中，相邻环元件52的第一接触表面222和第二接触表面223相互支撑。在所示出的实施方案中，环结构54由24个相同的环元件52形成，并且每个环元件52的第一接触表面222与第二接触表面223之间的所述角度为大约15度，使得环元件52旋转对称地布置在环结构54中。

如图9A至图9F中所示出，在某些实施方案中，环元件52的第一接触表面222和第二接触表面223中可形成有对应的互锁轮廓224，使得相邻环元件52可彼此互锁。在某些实施方案中，互锁轮廓224包括燕尾槽225和对应的燕尾榫舌226。互锁轮廓224阻挡环结构54中的环元件52周向和/或径向分离，但允许相邻环元件52之间相对地滑动运动。互锁轮廓224也促进环元件52在使用期间平滑且均匀地膨胀和收缩。环元件52与上文所述的元件12的不同在于榫舌和凹槽是颠倒的，其中环元件52的榫舌位于(较长)接触表面223上。这便于在整个膨胀和收缩范围内增大相邻环元件52之间的接触。将了解，可在本实施方案的范围内使用互锁轮廓224的替代形式，例如包括其他形状和形式的凹部和突出部。

在某些实施方案中，每个元件还可配备有凹槽228，并且在组装的环结构54中，凹槽228可对准以提供圆形凹槽，所述圆形凹槽围绕环延伸并且可容置偏置元件(未示出)，例如Smalley Steel Ring Company以Spirolox品牌销售的那种类型的螺旋形保持环、或卡紧弹簧。如此，偏置装置可位于环元件52的外表面周围，以将设备50朝向图5A至图5D中所示出的塌缩状态偏置。尽管在所示出的实施方案中提供用于容置偏置装置的一个凹槽228，但在其他实施方案中，可提供多个凹槽和偏置装置。

在某些实施方案中，结构元件56可呈辐条或撑杆形式。辐条56中的每一者的第一端连接到相应的保持环57a、57b，所述保持环各自用作基座元件。每个环元件52在其第二端处连接到一对辐条56，所述辐条来自相应组55a、55b中的每一组中的一者。在某些实施方案中，第一端和第二端配备有球或转向节58，所述球或转向节被接收在保持环和环元件52中的相应的承窝59(为几何形状的简洁起见，图8或图9A至图9F中未示出)中以形成枢转和旋转连接。在第一塌缩状态中，设备50具有第一外径，所述第一外径由环元件52的外边缘限定。

现在将另外参考图6A至图7C描述设备50的操作。在某些实施方案中，可通过轴向致动力致动设备50以使所述设备径向地膨胀到第二直径，所述轴向致动力作用于保持环57a、57b中的一者或两者以使所述一者或两者相对于心轴60移动。如此，保持环57a、57b充当设备50的推动环。可使用此领域中已知的数种适合装置中的任一者来施加轴向致动力，例如从定位在圆柱体周围的外套筒施加力。所述轴向致动力通过成组的辐条56发挥作用以将轴向和径向的力分量施予到环元件52上。在某些实施方案中，环元件52与相应的辐条56之间的枢轴点被设定成比保持环57a、57b与辐条56之间的枢轴点在径向上距心轴60更远，因此确保端环上的任何压缩力具有径向地作用于环元件52上的径向分量。环结构54的径向膨胀首先被周向弹簧阻挡。当周向弹簧的力被克服时，中心环结构的环元件52从塌缩位置朝向图6A至图6C中所示的部分膨胀状态径向向外移动。当环结构54径向向外移动时，辐条56相对于保持环57a、57b和环元件52枢转以为环结构54形成一对基本上圆锥形的支撑件。当辐条56的第一端朝向彼此移动时，环元件52相对于彼此切向地滑动以使中心环结构膨胀。

当保持环57a、57b和成组的辐条56被带向图7A至图7C中所示的位置时，环元件52相对于彼此滑动成径向膨胀状态。外环的环元件52的径向移动与参考图1A至图4F所述的元件12的移动相同。例如，环元件52在切线方向上相对于彼此滑动，同时保持相互支撑的平面接触。环元件52的互锁布置使得设备50能够在塌缩状态与膨胀状态之间均匀地移动。

图7A至图7C中示出所产生的膨胀状态。设备50形成膨胀的环结构54，所述膨胀的环结构是实心的，其环元件52之间没有间隙并且在其完全膨胀状态下具有平滑的圆形外表面。膨胀的环的外径显著大于处于塌缩状态的环结构的外径，其中增大的膨胀由支撑环结构54的成组的结构元件56的组合产生。圆锥形支撑件的开放式结构使得此实施方案特别适合于诸如轻量集中、挤锻应用、可移除支撑结构和/或可调整漂移工具等应用。

将轴向力维持在保持环57a、57b上将使设备保持在膨胀状态中，且减小轴向力以分离保持环57a、57b使得环结构54和成组的辐条56能够在弹簧元件的保持力下塌缩。因此，通过释放轴向致动力来达成设备50到塌缩状态的塌缩。分离保持环57a、57b会使环结构54在其偏置弹簧的保持力下塌缩回到图5A至图5C中所示的塌缩位置。

另外，辐条56与环元件52之间的连接以及辐条56与保持环57a、57b之间的连接(在某些实施方案中，其可以是球与承窝的连接或转向节与承窝的连接)被配置为能够传递拉伸力。这使得能够在保持环57a、57b、结构元件56与环元件52之间牵拉出张力(反之亦然)。辐条56与环元件52之间的这种轴向互锁将部件纵向地绑定在一起，且使得能够在元件之间牵拉出张力以使设备50朝向其塌缩状态缩回或缩回到其塌缩状态。牵拉出张力可与偏置弹簧的作用相结合来促进设备50塌缩到其原始外径，或在替代实施方案中，可在不使用偏置弹簧的情况下使用拉伸力使设备50缩回。因此，设备50可以是被动装置，没有由偏置装置限定的默认条件。

结构元件与环结构的组合使得能够提供具有膨胀的环结构的优点的膨胀与塌缩设备50，所述膨胀的环结构是实心的、其元件之间没有间隙、在其完全膨胀状态下具有平滑的圆形外表面并且最大膨胀比率增大。与图1A至图4F的环结构相比，所述实施方案提供增大的最大膨胀比率，而几乎没有另外的移动零件且复杂性几乎没有增大。

现在参考图10A至图11D，示出根据替代实施方案的膨胀与塌缩设备80。图10A和图10B是处于塌缩位置的设备80的相应的等距视图和纵向截面图，且图10C和图10D是穿过图10B的线C-C和D-D的相应横截面图。图11A至图11D是处于膨胀状态的设备80的对应视图。

设备80基本上类似于设备50，且将依据图5A至图9F以及随附描述来理解。如所示出，在某些实施方案中，设备80包括由多个元件形成的膨胀总成81，所述多个元件包括组装起来以形成居中设置的环结构84的一组环元件82。图13中所示出的环元件82在形式和功能上基本上类似于先前实施方案的环元件52。两组85a、85b结构元件86呈圆锥体区段形式，如图12中所示出。圆锥体区段86具有外表面91、上部平面接触表面93和下部平面接触表面95。如所示出，在某些实施方案中，圆锥体区段86中的每一者的第一端可通过钩88连接到相应的保持环87a、87b，所述钩设置在第一端处以用于与保持环87a、87b中的底切部接合。每个环元件82在区段86的第二端处连接到一对区段86，所述区段来自相应的组85a、85b中的每一组中的一者。在某些实施方案中，区段86的第二端配备有球或转向节83，所述球或转向节被接收在环元件82中的相应凹部89中以形成枢转且旋转的连接。在第一塌缩状态中，设备80具有第一外径，所述第一外径由环元件82的外边缘限定。

设备80的操作基本上类似于上文所述的设备50的操作。可通过轴向致动力致动设备80以使所述设备径向地膨胀到第二直径，所述轴向致动力作用于保持环87a、87b中的一者或两者上以使所述一者或两者相对于心轴90移动。所述轴向致动力通过成组85a、85b的圆锥体区段86发挥作用以将轴向和径向的力分量施予到环元件82上。环结构84的径向膨胀首先被周向弹簧阻挡，但当弹簧的力被克服时，中心环结构84的环元件82从塌缩位置朝向图11A至图11D中所示的膨胀状态径向向外移动。当环结构84径向向外移动时，环元件82相对于保持环87a、87b和环元件82枢转以为环结构84形成一对圆锥形支撑结构(例如，经由圆锥体区段86)。在某些实施方案中，每个环元件被支撑在A形框架布置中。当圆锥体区段86的第一端朝向彼此移动时，环元件82相对于彼此相切地滑动以使中心环结构84膨胀。另外，在沿着圆锥体区段86的长度垂直于纵向轴线的任何选定平面(例如图10C和图10D的截面C-C)上，圆锥体区段86与位于所述选定平面中并且与纵向轴线同心的圆相切地移动。

圆锥体区段86相对于彼此的移动由其形状管控，并且图14A、图14B和图15A至图15C用于理解在某些实施方案中形成圆锥体区段86的形状的方式。图14A和图14B示出配备有钩88和转向节83的圆锥体区段86作为中空圆锥体92的区段。图15A至图15C是用于理解可如何形成简化圆锥体区段96的几何参考图。

参考图15A至图15C，用于形成圆锥体区段96的起始点是具有圆锥体内角、最小内径和外径以及最大内径和外径的中空圆锥体102(图15C)。在某些实施方案中，圆锥体102可具有任何内角和外角，且未必具有均匀的壁厚度(尽管示例性圆锥体102确实具有均匀的壁厚度)。

在圆锥体102的小端上，如图15B中所示，圆锥体区段96的横截面轮廓基于环的设想楔形区段，如关于先前实施方案所述。所述环以轴线为中心，其中设想楔形区段相对于环的径向方向倾斜。区段的标称外径是在环的最优膨胀状态下(其中示出半径为r₁)。与图5A至图9F中所示出的实施方案一样，区段元件的上部接触表面和下部接触表面的定向平面与具有半径r₃的以设备的纵向轴线为中心的圆相切。环结构的内表面限定在r₃处，并且因此定向平面完全相切(且角度θ₂为大约90度)。在切点之间的所述角度等于区段的角度θ₁。每个设想楔形区段的第一接触表面和第二接触表面的定向平面在径向平面P上相交，所述径向平面P在切点处将径向平面二等分(即，径向平面P相对于两个径向平面成角度θ₁/2)。此相交平面P限定区段的膨胀和塌缩路径。在此设备中，区段角度θ₁为大约15度，并且径向平面P相对于切点处的径向平面倾斜大约7.5度。

已确定区段的一端的轮廓104，圆锥体102的内面的内角限定所形成的区段的上部平面表面和下部平面表面的倾斜角度，所述上部平面表面和下部平面表面从端部轮廓104延伸。上部平面表面93是由从端部轮廓104的上部线穿过圆锥体的主体的切口限定，其中所述切口在圆锥体的整个长度上与圆锥体的内表面相切。下部平面表面95是由从端部轮廓104的下部线穿过圆锥体的主体的切口限定，其中所述切口在圆锥体的整个长度上与圆锥体的内表面相切。区段的外表面91是圆锥体的在上部平面表面与下部平面表面之间的外表面。

圆锥体区段的横截面的几何形状在区段的整个长度上的每个位置处均相同：在环的最优膨胀状态下，外表面91在区段的标称外径处；圆锥体区段的第一接触表面和第二接触表面与半径为r₃的圆相切，并且第一接触表面和第二接触表面的定向平面在径向平面P上相交，所述径向平面P相对于切点处的径向平面倾斜成角度θ₁/2。可将同一径向平面P描述为相对于上部接触表面倾斜成90-θ₁/2度的角度并且相对于下部接触表面倾斜成90+θ₁/2的角度。图15A至图15C中所示出的原理可用于确定圆锥体区段的基本形状，接着可详述具有用于形成功能圆锥体区段86的另外特征(诸如凹槽和底切部)的圆锥体区段。

在使用中，当将保持环87和成组85的圆锥体区段86带向图11A至图11D中所示的位置时，环元件82和结构环元件86相对于彼此滑动到径向膨胀状态中。外环的元件的径向移动基本上类似于参考图1A至图4F所述的元件的移动：元件82、86相对于彼此在切线方向上滑动，同时保持相互支撑的平面接触。居中定位的环元件82确保外结构区段86始终保持等距并且均一部署的均匀图案。中心环的膨胀还控制外结构区段86的对准和次序。

图11A至图11D中示出所产生的膨胀状态。设备80可膨胀到最优膨胀状态，在所述最优膨胀状态下，圆锥体区段86的平面表面充分接触，并且由环结构84限定的外径略微小于里面设置有设备80的管道或井眼的内径。保持环87上的另外的推力使得环结构84过度膨胀，但基本上不影响圆锥形或圆柱形环结构的表面轮廓。

将轴向力维持在保持环87上可将设备80保持在膨胀状态中，并且减小轴向力以分离保持环87会使得环结构84和成组85a、85b的辐条能够在弹簧元件的保持力下塌缩。因此，通过释放轴向致动力达成设备80到塌缩状态的塌缩。分离保持环87会使环结构84在其偏置弹簧的保持力下塌缩回到图10A至图10C中所示的塌缩位置。

结构元件和环结构的组合使得能够提供最大膨胀比率得以增大的膨胀与塌缩设备。与图1A至图4F的环结构相比，本文中所述的实施方案提供增大的最大膨胀比率，但几乎没有另外的移动零件且复杂性几乎没有增大。所述设备形成膨胀的环结构，所述膨胀的环结构是实心的，其元件之间没有间隙并且在其完全膨胀状态下具有平滑的圆形外表面。另外，由圆锥体区段形成的圆锥形支撑结构形成为膨胀设备的实心平滑侧翼。这便于使用圆锥形结构作为部署或致动装置或密封元件和其他机械结构的支撑结构，如下文将更详细地描述。

现在将参考图16A至图18B描述设备80的变型。图18A和图18B是设备280的纵向截面图，所述设备基本上类似于上文所述的设备80并且将依据图10A至图15C和随附描述来理解。图16A至图16C是设备280的环元件282的各种视图，并且图17A和图17B是设备280的结构元件286的等距视图。环元件282和结构元件286的基本几何形状基本上类似于先前所述的元件82、86的几何形状。与设备80一样，在某些实施方案中，可提供钩288以用于与相应保持环中的底切部接合。然而，元件282、286在其彼此连接配置上不同。更具体来说，代替设置在设备80的部件中的球形球接头和承窝，设备280具有设置在结构元件286上的转向节接头283和在环元件282上的对应承窝289。在某些实施方案中，承窝289包括在下部接触表面上以用于接收转向节283的开口和在侧壁中的U形狭槽，这使得能够在保持转向节283的同时组装元件，并且允许在结构元件286与相应的保持环之间牵拉出张力(或反之亦然)。

在某些实施方案中，环元件282和结构元件286的对应侧壁也设置有突起272和承窝274的协作布置。在这种实施方案中，环元件282的突起272在设备280处于图18B中所示的其膨胀状态时自定位在结构元件286的承窝274中，并且为结构提供另外的支撑。在所示出的实施方案中，两个突起272设置在每个环元件282的每个侧壁上，其中对应的承窝274设置在相应结构元件286的接触侧壁上，但将了解，在其他实施方案中，位置可颠倒和/或可提供其他的定位构架配置。

尽管前述实施方案包括圆柱形环结构与圆锥形支撑总成的组合，但本文中所述的实施方案的原理还可适用于不连接到圆柱形环的膨胀圆锥体结构。例如，参考图19A至图20D描述某些实施方案。图19A至图19C是处于塌缩状态的设备140的相应的等距视图、纵向截面图和端视图。图20A至图20C是处于膨胀状态的设备140的对应视图。在某些实施方案中，设备140包括由多个元件形成的膨胀总成141，所述多个元件包括组装在一起以形成圆锥形环结构154的一组元件142。元件142组装在心轴150上，其中元件142的第一端连接到保持环147。元件142的第二端与致动楔形体圆锥体143相邻。

元件142基本上类似于圆锥体区段86，并且其形式和功能将依据图10A至图11D及随附描述来理解。元件142的形状是依据参考图14A至图15C所述的原理形成。元件142包括外表面、上部平面接触表面和下部平面接触表面。在组装起来以形成环结构时，所述接触表面相互支撑。在第一塌缩状态中，设备140具有第一外径，所述第一外径由元件142的第二端的外边缘限定。设备140在其塌缩状态中的形状是基本上圆锥形。

在使用中，可通过轴向致动力致动设备140以使所述设备径向地膨胀到第二直径，所述轴向致动力作用于保持环147或楔形体构件143中的一者或两者上以使所述一者或两者相对于心轴150移动。所述力使得楔形体构件143相对于元件142轴向地移动，并且将所述轴向力的分量传递到元件142的内表面上。楔形体构件143的角度将径向的力分量传递到元件142，这使得所述元件相对于彼此沿着其相应的接触表面滑动。

膨胀元件142的移动与绕设备140的纵向轴线限定的圆相切。元件142的接触表面在膨胀之前、期间和之后彼此相互支撑。元件142的径向位置在持续施加轴向致动力时增大，直到元件142位于所期望的外径向位置处为止。此径向位置可由楔形体构件143的受控且受限的轴向位移限定，或替代地可由里面设置有设备140的孔或管的内表面确定。

图20A至图20C示出处于其膨胀状态的设备140。在图20B和图20C中所示的最优膨胀状态下，各个元件142的外表面组合以形成在各个元件142之间没有间隙的完整的圆锥形表面。在元件142的第二端处，在最优膨胀状态下形成圆柱形表面145。各个元件142的外表面组合以形成在各个元件之间没有间隙的完整的圆。膨胀设备的外表面可被优化成具有特定直径，以形成环结构的内表面或外表面上没有挤压间隙的完全平滑的圆锥体和圆形的膨胀的环(在制造容差以内)。膨胀设备140的设计还具有不充分膨胀或过度膨胀的程度(例如，到略微不同径向位置)不会引入很大的间隙的益处。

所述布置的特征是，在膨胀之前、在膨胀过程中和在膨胀之后元件均相互支撑，并且在膨胀期间或在完全膨胀位置处各个元件之间不会形成间隙。另外，呈周向环的元件布置及其在与纵向轴线垂直的平面中的移动便于在膨胀的环结构上提供平滑的侧面或侧翼。这使得能够在轴向上极为接近其他功能元件地使用设备。

在某些实施方案中，设备140可与其他实施方案的设备结合使用以提供膨胀设备总成。例如，参考图21A至图22D描述某些实施方案。图21A至图21C是处于塌缩状态的设备160的相应的等距视图、纵向截面图和横截面图。图22A和图22B是处于膨胀状态的设备160的相应的部分剖开等距视图和纵向截面图。图22C和图22D是图22A和图22B的设备160的穿过图22B的线C-C和D-D的相应横截面图。

如所示出，在某些实施方案中，设备160包括支撑居中设置的膨胀设备162的心轴170，所述膨胀设备具有与设备80相同的形式、具有相同的功能和操作。另外，在设备162的任一侧上是膨胀设备164a、164b，所述膨胀设备包括构造与设备140类似的圆锥体结构且具有相同的功能和操作。设备164a、164b的轴向外侧是另外的膨胀设备166a、166b，所述膨胀设备包括构造与设备140类似的圆锥体结构并且具有相同的功能和操作。

在使用中，可通过轴向致动力致动设备160以使所述设备径向地膨胀到第二直径，所述轴向致动力作用于保持环167a、167b中的一者或两者上以使所述一者或两者相对于心轴170移动。在相应的保持环163a、163b、165a、165b的圆锥形楔形体表面驱动下，外保持环167a、167b的相对移动使得膨胀设备162、164a、164b、166a、166b膨胀到其膨胀状态。

图22A至图22D中示出设备160的膨胀状态。如上文参考图10A至图11D所述，设备162膨胀成在设备162的第一侧翼和第二侧翼处限定第一中空圆锥形支撑结构和第二中空圆锥形支撑结构的形式。由膨胀设备164a、164b形成的中空圆锥体的内角对应于设备162的圆锥体外角，并且使设备164a、164b与设备162的外侧翼邻接以形成嵌套式的分层支撑结构。类似地，由膨胀设备166a、166b形成的中空圆锥体的内角对应于设备164a、164b的圆锥体外角，并且使设备166a、166b与由设备164a、164b限定的外侧翼邻接。由于在嵌套式布置中圆锥形支撑结构的邻接形成的有效壁厚度得以增大，因此图22B中所示出的组合式设备160为设备162的圆柱形环结构161提供另外的支撑。每个圆锥形表面是基本上平滑或完全平滑的，并且因此圆锥形支撑结构之间在大多数表面上面的接触优化机械支撑。

在这种实施方案中，圆锥体区段分层的方向在相邻的设备162、164a、164b、166a、166b之间是不同的。例如，与设备162、166a、166b中的分层方向相比，设备164a、164b中的圆锥体区段的分层是相反的。这使得在图22A中所示出的膨胀状态中支撑层之间之间存在交叉叠合效应(cross-ply effect)，借此通过设备162、164a、164b、166a、166b增强机械支撑和承载力，并且增大相邻支撑层的区段之间的任何路径的盘绕。

通过释放或撤销最外保持环167a、167b上的轴向力来执行设备162、164a、164b、166a、166b向塌缩状态的缩回。在某些实施方案中，此举由设置在圆锥体区段的内表面上的唇缘171促成，如图21B及图22A中所示出。当膨胀圆锥体处于塌缩状态时，其圆锥体区段的唇缘171与相邻膨胀圆锥体的保持环167a、167b上的外边沿接合。当最外侧的一对膨胀圆锥体166a、166b在张力下塌缩时，唇缘171与保持环165a、165b的边沿接合以将张力施予到保持环165a、165b并且使膨胀圆锥体164a、164b缩回。类似地，当膨胀圆锥体164a、164b在张力下塌缩时，唇缘171与保持环163a、163b的边沿接合以将张力施予到保持环163a、163b并且使膨胀设备162缩回。

尽管提供两对膨胀圆锥体来支撑图21A至图22D中所示出的设备162，但在其他实施方案中，可根据应用使用更少或更大数目的膨胀圆锥体。在某些实施方案中，支撑可由仅与设备162的侧翼中的一者邻接的单个膨胀圆锥体提供。替代地，在其他实施方案中，可在嵌套式配置中使用多个膨胀圆锥体以仅支撑设备162的侧翼中的一者。替代地，在其他实施方案中，可使用不等数目的膨胀圆锥体来支撑设备162的相对侧翼。

在本文中所述的实施方案的范围内，参考图21A至图22D所述的嵌套式配置中使用的膨胀设备可根据应用而具有不同的物理性质，包括但不限于配置、大小、壁厚度、锥角和/或材料选择。例如，参考图21A至图22D描述某些实施方案，设备164a、164b的圆锥体区段不同于设备162、166a、166b的圆锥体区段以提供改进的密封效果。在某些实施方案中，设备164a、164b的圆锥体区段可由涂覆有顺应性聚合物材料(诸如硅酮聚合物涂层)的金属形成。在某些实施方案中，元件的所有表面均可被涂覆，并且设备164a、164b内的圆锥体区段的相互支撑布置与来自相邻设备162、166a、166b的支撑组合可使所述圆锥体区段在其操作状态下被压紧。这使得组合式设备160能够作为流动屏障有效地发挥功能，并且在一些应用中，所形成的屏障足以抵抗差压实现密封以形成不透流体的密封。

在某些实施方案中，为圆锥体区段本身选择的材料可以是顺应性材料或弹性材料，诸如弹性体、聚合物或橡胶而非带涂层金属或其他相对硬的材料。替代地，在其他实施方案中，区段可包括由涂覆或包覆在顺应性材料或弹性材料(诸如弹性体、聚合物或橡胶)中的金属材料或其他相对硬的材料形成的骨架或内部结构。膨胀设备中的所有、一些或一个膨胀设备的圆锥体区段可由这些替代材料形成，或可针对不同的膨胀设备使用不同的材料。各个膨胀设备可被配置为提供密封功能并且可因此类似地完全或部分由顺应性或弹性材料形成。

现在参考图23A至图24C，示出被配置成用于流体管道或井眼的密封件的膨胀与塌缩设备180。如所示出，在某些实施方案中，设备180包括由多个元件形成的膨胀总成181，所述多个元件包括组装在一起以形成圆锥形环结构184的一组环元件182。环元件182组装在心轴190上，其中环元件182的第一端连接到保持环187。环元件182的第二端与致动楔形体圆锥体183相邻。环元件182类似于圆锥体区段86、142，并且其形式和功能将依据图10A至图11D及图19A至图20B以及随附描述来理解。环元件182的形状是依据参考图14A至图15C所述的原理形成。圆锥体区段包括外表面、上部平面接触表面和下部平面接触表面。在组装起来以形成环结构184时，所述接触表面相互支撑。在第一塌缩状态中，设备180具有第一外径，所述第一外径由环元件182的第二端的外边缘限定。总成在其塌缩状态中的形状是基本上圆锥形的。

设备180与上文所述的设备140的不同之处在于设备180配备有顺应性密封材料的褶皱层195。如所示出，在某些实施方案中，层195在其长度的大部分内环绕保持环187和膨胀总成181，并且被打褶以符合由塌缩总成181限定的直立边缘和凹槽的成型表面。设备180可由轴向致动力致动，所述轴向致动力作用于保持环187或楔形体183中的一者或两者上。当设备180膨胀到图24A至图24C中所示的膨胀状态时，层195展开以在膨胀的圆锥形结构周围形成顺应性圆锥形护套197。

设备180仅是可如何将本文中所述的实施方案应用于流体屏障或密封设备的一个示例，并且其他流体屏障或密封配置处于本文中所述的实施方案的范围内。例如，设备可被配置为与密封元件(例如弹性主体或可扩张气囊)结合操作，所述密封元件设置在由膨胀的圆锥体区段形成的中空圆锥形结构之下。

现在参考图25A至图36B，示出根据替代实施方案的膨胀与塌缩设备300。图25A和图25B是处于塌缩状态的设备300的相应的等距视图和截面图，图26A和图26B是处于部分膨胀状态的设备300的相应的等距视图和截面图，并且图27A和图27B是处于完全膨胀状态的设备300的相应的等距视图和截面图。

设备300基本上类似于设备50、80，且将依据图5A至图18B以及随附描述来理解。如所示出，在某些实施方案中，设备300包括由多个元件形成的膨胀总成，所述多个元件包括组装起来以形成围绕纵向轴线居中设置的环结构304的一组环元件302。在某些实施方案中，环结构304被配置为通过使环元件302在与圆相切的方向上相对于彼此滑动而在膨胀状态与塌缩状态之间移动，所述圆与由环元件302形成的环结构304同心。两组305a、305b结构元件306(即，支撑元件)呈圆锥体区段形式。如所示出，在某些实施方案中，支撑元件306中的每一者的第一端308可连接到相应的保持环307a、307b(即，基座元件)。另外，在某些实施方案中，支撑元件306中的每一者的第二端310可连接到相应的环元件302。在某些实施方案中，每个环元件302在支撑元件306的第二端310处连接到一对支撑元件306，所述支撑元件来自相应的组305a、305b中的每一组中的一者。在塌缩状态中，设备300具有第一外径，所述第一外径由环元件302的外表面限定。

参考图29A至图32G描述支撑元件306，参考图33A至图35描述环元件302，并且参考图36A和图36B描述基座元件307a、307b。另外，图28是两个中心环元件302、两对成组305a、305b的支撑元件306和两对基座元件307a、307b的透视图，所述透视图示出设备300的这些元件在图27A及图27B中所示出的完全膨胀状态中彼此如何相互作用。

设备300的操作基本上类似于上文所述的设备50、80的操作。可通过轴向致动力致动设备300以使其从具有第一直径的塌缩状态径向地膨胀到具有第二直径的膨胀状态。所述轴向致动力作用于保持环307a、307b中的一者或两者上以使所述一者或两者相对于心轴(未示出)移动。所述轴向致动力使一个或两个保持环307a、307b在纵向(例如，轴向)方向上朝向环元件302移动。所述轴向致动力通过成组305a、305b的支撑元件306发挥作用以将轴向和径向的力分量施予到环元件302上。保持环307a、307b可使支撑元件306的第一端308在纵向(例如，轴向)方向上移动，并且使所述支撑元件的第二端在轴向方向上朝向环元件302并相对于纵向轴线在径向向外方向上移动。支撑元件306的移动可将轴向和径向的力分量施予到环元件302上。在某些实施方案中，环结构304的径向膨胀可被由周向弹簧或外部套筒(例如，由弹性材料制成)形成的力阻挡，但当所述力被克服时，中心环结构304的环元件302可从塌缩位置朝向图26A及图26B中所示的部分膨胀状态并接着朝向图27A及图27B中所示的完全膨胀状态径向向外移动。当环结构304径向向外移动时，环元件302相对于基座元件307a、307b枢转并且环元件302形成环结构304的一对圆锥形支撑结构(例如，经由支撑元件306)。当圆锥体元件306的第一端308朝向彼此移动时，环元件302相对于彼此相切地滑动以使中心环结构304膨胀。

图29A至图29D是设备300的支撑元件306的各种视图。如所示出，在某些实施方案中，支撑元件306中的每一者包括促进设备300的膨胀和塌缩性质的各种特征。例如，在某些实施方案中，支撑元件306中的每一者可包括设置在支撑元件306的第一端308处的第一铰链312和设置在支撑元件306的第二端310处的第二铰链314。一般来说，支撑铰链312、314促进支撑元件306与相邻元件之间围绕相应的枢转轴线连接，如本文中更详细地描述。例如，下部支撑铰链312可联接到相应的环配合铰链以促进相应的支撑元件306与相邻的保持环307(例如，基座元件)之间的下部铰链连接，并且上部支撑铰链314可联接到相应的元件配合铰链以促进相应的支撑元件306与相邻的中心环元件302之间的上部铰链连接。

如下文更详细地描述，铰链312、314中的每一者可包括旋转轴线，所述旋转轴线与相邻的基座元件307的环配合铰链的旋转轴线(例如，下部铰链旋转轴线)或相邻的中心环元件302的元件配合铰链的旋转轴线(例如，上部铰链旋转轴线)对准。在某些实施方案中，下部铰链连接和上部铰链连接可有角度地偏移，使得铰链的轴向移动可使得环元件302径向向外移动(例如，膨胀)，并且相对于彼此在与圆相切的方向上滑动，所述圆与由环元件302形成的环结构304同心。铰链312、314允许沿着设备300的轴线将压缩/拉伸施加到所述设备300，从而允许由基座元件307彼此间的相对位置来控制主动膨胀和缩回。在某些实施方案中，上部铰链连接和/或下部铰链连接包括球与承窝连接、转向节与承窝连接、铰链与销连接、或任何适合的可旋转连接。

另外，在某些实施方案中，支撑元件306中的每一者可包括第一互锁特征，所述第一互锁特征可包括设置在支撑元件306的上部平面接触表面318(例如，外表面)上的一组凸式互锁特征316。此外，在某些实施方案中，支撑元件306中的每一者可包括第二互锁特征，所述第二互锁特征可包括设置在相邻支撑元件306的下部平面接触表面322(例如，内表面)上的一组凹式互锁特征320。第一互锁特征可被配置为与相邻支撑元件306的第二互锁特征互锁。例如，支撑元件306的一组凸式互锁特征316中的每个凸式互锁特征可被配置为与相邻支撑元件306的一组凹式互锁特征320的对应凹式互锁特征配合。在某些实施方案中，第一互锁特征可被配置为在膨胀状态中与相邻支撑元件306的第二互锁特征互锁。在某些实施方案中，第一互锁特征被配置为在塌缩状态中与相邻支撑元件的第二互锁特征至少部分地互锁。例如，在某些实施方案中，第一互锁特征可包括两个凸式互锁特征316(例如，第一凸式互锁特征和第二凸式互锁特征)，并且第二互锁特征可包括两个凹式互锁特征320(例如，第一凹式互锁特征和第二凹式互锁特征)。在某些实施方案中，在塌缩状态中，第一凸式互锁特征可与第一凹式互锁特征互锁；然而，第二凸式互锁特征可与第二凹式互锁特征脱离。在其他实施方案中，第一互锁特征可被配置为当处于塌缩状态中时与第二互锁特征完全脱离。

另外，在某些实施方案中，支撑元件306中的每一者可包括辅助楔形体324(例如，支撑负荷特征)，所述辅助楔形体324被配置为支撑施加在环结构304上的径向负荷。在某些实施方案中，辅助楔形体324可呈壁部分的形式，所述壁部分相对于环结构304从支撑元件306的内表面的一部分至少部分径向向内延伸。在某些实施方案中，辅助楔形体324可从支撑元件306的内表面的一部分基本上垂直地延伸。在其他实施方案中，辅助楔形体324可相对于环结构304从支撑元件306的内表面的侧面315径向向内延伸。在某些实施方案中，辅助楔形体324具有第一表面301和第二表面303。在某些实施方案中，第二表面303可设置在偏离第一表面2度与45度之间。第一表面301与第二表面303之间的角度可形成支撑元件306的辅助楔形体324的辅助楔形体角度。

就支撑元件306的铰链312、314来说，在某些实施方案中，本文中所述的膨胀与塌缩设备的元件的膨胀和收缩运动可不受严格控制。例如，在某些实施方案中，设备的元件之间的机械连接在缩回期间可能不存在，而在膨胀期间可依赖于点接触，因此导致在元件将正确对准的膨胀期间存在某种程度的不确定性以及对弹簧缩回力的某种程度的依赖。

然而，对元件的几何形状和运动的理解允许为铰链确定适当的枢转轴线(例如，上部铰链旋转轴线和下部铰链旋转轴线)。这些轴线与元件相对于设备的相邻元件(例如，环元件相对于相邻支撑元件、支撑元件相对于相邻的基座元件等等)的运动相关。元件相对于相邻的元件围绕这些轴线旋转。使用这些确定的轴线，可形成支撑元件306的铰链312、314以允许在膨胀和收缩期间设备300的所有元件之间连续地机械连接。例如，图30是支撑元件306的部分透视图，所述部分透视图示出由设置在支撑元件306的第一端308上的铰链312形成的轴线326。确定轴线326以促进支撑元件306相对于相邻的基座元件307的相对运动。将了解，可基于对相应元件之间的相对运动的确定而以类似的方式构造本文中所述的所有其他铰链(例如，支撑元件306的铰链312、314以及环元件302和基座元件307的铰链)。

支撑元件306相对于膨胀与塌缩设备300的相邻元件的运动由其形状管控，并且图31A和图31B用于理解在某些实施方案中形成支撑元件306的形状的方式。例如，支撑元件306的底部面和顶部面(即，分别在第一端308和第二端310处)处的上部平面接触表面318与下部平面接触表面322之间的二等分线(即，与上部平面接触表面318和下部平面接触表面322等距的线)在底部面和顶部面处形成支撑元件306的旋转轴线。一般来说，这些轴线垂直于支撑元件306的运动平面P。

例如，图31A示出支撑元件306的上部平面接触表面318(例如，外表面)与下部平面接触表面322(例如，内表面)之间在底部面处(即，在支撑元件306的第一端308处)的二等分线328，所述二等分线垂直于运动平面P。在某些实施方案中，二等分线328限定支撑元件306的第一端308与保持环307之间的下部铰链连接的下部铰链旋转轴线329。如此，下部铰链旋转轴线329沿着支撑元件306的第一端308延伸并且与下部外边缘317和下部内边缘319基本上等距。在某些实施方案中，下部外边缘317对应于支撑元件306的外表面318与第一端308之间的边缘，并且下部内边缘319对应于支撑元件306的内表面322与第一端308之间的边缘。

类似地，图31B示出支撑元件306的上部平面接触表面318(例如，外表面)与下部平面接触表面322(例如，内表面)之间在顶部面处(即，在支撑元件306的第二端310处)的二等分线330，所述二等分线垂直于运动平面P。二等分线330限定支撑元件306的第二端310与相应的环元件302之间的上部铰链连接的上部铰链旋转轴线331。如此，上部铰链旋转轴线331沿着支撑元件306的第二端310延伸并且与上部外边缘321和上部内边缘323基本上等距。在某些实施方案中，上部外边缘321对应于支撑元件306的外表面318与第二端310之间的边缘，并且上部内边缘323对应于支撑元件306的内表面322与第二端310之间的边缘。通过使铰链312、314围绕这些确定的轴线转动，可开发出在设备300的膨胀和缩回的全范围内确保恒定的机械连接的特征。

就支撑元件306的互锁件316、320来说，在某些实施方案中，本文中所述的膨胀与塌缩设备的负荷能力可由于在支撑元件306之间缺乏负荷分担而受限。例如，在某些实施方案中，支撑元件306在与上部平面和下部平面平行的方向上可能不彼此支撑。引入支撑元件306的互锁件316、320使得支撑元件306能够在与上部平面和下部平面平行的方向上支撑相应阵列305中的相邻元件。另外，支撑元件306的互锁件316、320允许支撑相对宽范围的元件运动，而不仅支撑最终的确定位置。此外，互锁件316、320防止相邻支撑元件306在另外的维度上相对移动。这允许当最终的膨胀直径未知时保持支撑。因此，支撑元件306的互锁件316、320为支撑元件306增加自支撑功能，防止支撑元件306的平面-平面移动，这防止弯曲从而进一步约束膨胀与塌缩设备300的移动自由度，并且允许进一步分散/分担应力，使得膨胀与塌缩设备300更像实心件一样发挥作用，而不是像多个零件的总成。

如图29A至图29D中所示出，在某些实施方案中，第一互锁特征的凸式互锁件316可呈从支撑元件306的上部平面接触表面318(例如，外表面)延伸的突出部的延伸部分的形式，所述凸式互锁件被配置为与相邻支撑元件306的第二互锁特征的凹式互锁件320配合，所述凹式互锁件可呈支撑元件306的下部平面接触表面322(例如，内表面)中的类似形状的凹槽或凹部形式。在某些实施方案中，使用下部枢转轴线和楔形体轮廓，可确定支撑元件306的膨胀的中心点。例如，如下文关于图32B至图32G更详细地描述，同心圆可从所述中心点画出，这形成形成成组的互锁件316、320所沿循的路径。接着，可使原始的上部中心点围绕圆锥体的主轴线(“x轴”)旋转达等于支撑元件306的楔形体角度的量来形成新的下部中心点。

支撑元件306相对于相邻的支撑元件306的运动由其形状管控，并且图31A和图31B用于理解在某些实施方案中形成支撑元件306的形状的方式。如上文所述，支撑元件306中的每一者围绕相邻基座支撑件307的枢转轴线(例如，下部铰链旋转轴线329)旋转(例如，经由铰链312)，并且此枢转轴线代表支撑元件306的中性旋转轴线(即，其位置将不会改变)。相对于彼此膨胀的相邻支撑元件306形成正弦关系(即，所述相邻支撑元件306随着膨胀角度和楔形体/元件角度两者的变化而相对于彼此向上和向外移动)。这可近似是以支撑元件306的中性轴线(例如，其相应铰链312的轴线)为中心的导引圆。

支撑元件306的上部平面接触表面318(例如，外表面)不沿着此中性轴线。然而，上部平面接触表面318在静止的原点332(参见图32A)处与中性轴线交会。在某些实施方案中，原点332可设置在偏离相应支撑元件306的位置。如图32B至图32G所示出，可相对于支撑元件306的原点332画出同心的上部导引圆334。在某些实施方案中，第一互锁特征的凸式互锁件316沿着这些同心的上部导引圆334设置。例如，凸式互锁件316的一组突出部中的每个突出部被配置为分别从相应支撑元件306的外表面沿着相应的突出部导引路径延伸，所述突出部导引路径沿循同心的上部导引圆334中的相应上部导引圆的一部分。

当完全膨胀时，一个支撑元件306的上部平面接触表面318完全配合到相邻支撑元件306的下部平面接触表面322。因此，为了形成凹式互锁件320，使支撑元件306的相应原点332围绕膨胀与塌缩设备300的主轴线(例如，“x轴”)344旋转楔形体角度336(例如，其等于原点332与平移的原点338之间的角度)。在某些实施方案中，平移的原点338可设置在偏离相应的支撑元件306的位置。从这一点来说，形成与凸式互锁件316相同尺寸的同心下部导引圆346，并且沿着这些线形成第二互锁特征的凹式互锁件320。即，凹式互锁件320的成组凹部中的每个凹部被配置为沿循相应的凹部导引路径，所述凹部导引路径沿循被配置为穿过相应的支撑元件306的相应的下部导引圆的一部分。如此，凸式互锁件316以原点332为中心，而凹式互锁件320以平移的原点338为中心。

在某些实施方案中，当在膨胀期间凸式互锁件316摆动到适当位置时，可使用调整技术来抵消“凸轮效应”。更简单来说，支撑元件306的下侧上的通道(即，支撑元件306的下部平面接触表面322上的凹式互锁件320)是基于支撑元件306的上侧上的肋(即，支撑元件306的上部平面接触表面318上的凸式互锁件316)的相反特征，绕x轴以楔形体角度旋转以使它们的位置与相邻的支撑元件306正确地配合。在某些实施方案中，上部导引圆与对应的下部导引圆可具有基本上类似的直径(例如，彼此相差在5％以内、彼此相差在2％内、彼此相差在1％以内或甚至接近的直径)。此外，在某些实施方案中，相应的上部导引圆的原点332可偏离相应的下部导引圆的平移的原点338。

如图32D中所示出，原点332可被限定为与支撑元件306的边缘340、342(即，其分别与上部平面接触表面318和下部平面接触表面322相关)对应的会聚线的相交点，其中原点332是来自膨胀与塌缩设备300的主旋转轴线(例如，“x轴”)344沿着运动平面P的点。如图32E中所示出，来自原点332的同心圆334限定沿着支撑元件306的上部平面接触表面318设置凸式互锁件316的位置。如图32F中所示出，如上文所述，原点332(即，“上部原点”)可被限定为与支撑元件306的边缘340、342对应的线(例如，其形成楔形体角度336)的会聚点，且平移的原点338(即，“下部原点”)可被限定为绕x轴344从原点332旋转楔形体角度。如图32G中所示出，来自平移的原点338的同心圆346限定沿着支撑元件306的下部平面接触表面322设置凹式互锁件320的位置。

图33A至图33E是设备300的环元件302的各种视图。如所示出，在某些实施方案中，环元件302中的每一者包括促进设备300的膨胀和塌缩性质的各种特征。例如，在某些实施方案中，环元件302中的每一者可包括设置在环元件302的第一侧350上的第一铰链348和设置在环元件302的第二侧354上的第二铰链352。一般来说，铰链348、352促进环元件302与相邻的支撑元件306之间围绕相应的枢转轴线连接，如本文中更详细地描述。例如，铰链348促进相应的环元件302与第一组305a支撑元件中的相邻支撑元件306之间的连接，并且铰链352促进相应的环元件302与第二组305b支撑元件中的相邻支撑元件306之间的连接。如上文更详细地描述，与支撑元件306的铰链312、314类似，环元件302的铰链348、352中的每一者可包括与相邻支撑元件306的配合铰链314的旋转轴线对准的旋转轴线。可以与上文关于支撑元件306的铰链312、314所述的基本上类似的方式确定环元件302的铰链348、352的旋转轴线的定向。

另外，在某些实施方案中，环元件302中的每一者可包括辅助楔形体356，所述辅助楔形体可呈从环元件302的环帽358的一侧基本上垂直地延伸的壁部分的形式。另外，如图33A至图33C中所示出，在某些实施方案中，环元件302的环帽358可包括具有凸式燕尾362的圆顶形外几何形状360。另外，如图33D和图33E中所示出，在某些实施方案中，环帽358可包括具有凹式燕尾366的内几何形状364，所述凹式燕尾被配置为与相邻环元件302的凸式燕尾362配合。

就环元件302的辅助楔形体356来说，在某些实施方案中，可存在本文中所述的膨胀与塌缩设备的元件提供的相对低的强度。例如，膨胀与塌缩设备的负荷特性可生成相对大的力，所述力大多垂直于具有最多材料的元件的部段，因此导致膨胀与塌缩设备的相对大量的材料未承受应力，而膨胀与塌缩设备的相对少量的材料承受超限应力。因此，膨胀与塌缩设备的承载能力可受到承受超限应力的相对少量的材料限制。

如图33A至图33E中所示出，将环元件302的形状更改成包括辅助楔形体356将有助于移除无应力的区域，并且将材料增加到应力相对高的区域，而不会改变设备300的膨胀和收缩性质。换句话说，将辅助楔形体356增加到环元件302形成更均匀的应力分布，并且增大各个环元件302的能力。将了解，支撑元件306的辅助楔形体324(以及下文所述的基座元件307的辅助楔形体378)起到基本上类似的目的。

如图34A中所示出，在某些实施方案中，环元件302的辅助楔形体356从楔形体的内表面(例如，由环元件302的环帽358形成)基本上垂直地延伸。在某些实施方案中，环帽358具有内几何形状364(例如，内表面)和偏离所述内表面的外圆顶形几何形状360(例如，外表面)，使得所述环帽358具有楔形体形状。内表面与外表面之间的角度形成楔形体角度336。一般来说，由环元件302的环帽358形成的楔形体的楔形体角度336与辅助楔形体356的楔形体角度336相同(例如，在某些实施方案中，相差2度以内、相差1.5度以内、相差1度以内、相差0.5度以内或甚至更接近)。可在辅助楔形体356的第一表面359和第二表面361的两个新边缘之间形成二等分线368以形成辅助中心线370，所述辅助中心线垂直于穿过塌缩的环元件302的中心点(例如，沿着膨胀与塌缩设备300的x轴344)的假想线(例如，纵向轴线)。就圆锥体区段来说，可需要另外的步骤。例如，由于圆锥体被设计成处于膨胀位置中，并且旋转而不是滑动以膨胀，因此几何形状应转换到塌缩位置。

图34B示出具有与参考图3所论述的简单楔形体几何形状不同的辅助楔形体356(例如，环负荷特征)的环元件302。如上文所论述，辅助楔形体356可具有与主楔形体(例如，由环帽358形成)相同的楔形体角度336。一般来说，辅助楔形体356位于膨胀方向下方。在某些实施方案中，辅助楔形体356相对于环结构304从环元件302的内表面至少部分地径向向内延伸。换句话说，主楔形体的中平面线372与辅助楔形体356的中平面线374之间的角度在0度与180度之间。例如，在某些实施方案中，主楔形体的中平面线372与辅助楔形体356的中平面线374之间的角度可在大约(90°-楔形体角度/2)与180°之间。在膨胀与塌缩设备300的元件围绕心轴塌缩的某些实施方案中，如果最低点低于心轴的直径，则可修整辅助楔形体356，使得沿着运动平面向上移动将与心轴产生干涉。

环元件302的辅助楔形体356增大膨胀与塌缩设备300的元件在加载方向上的惯性矩，借此提供抗弯性。另外，环元件302的辅助楔形体356为环元件302提供积极的阻止以防止过度偏转。另外，当处于全负荷下时环元件302的辅助楔形体356允许更大的承载面积，借此提供对环元件302的旋转/倾斜的可量化限制。

就环元件302的环帽358的圆顶形外几何形状360来说，在某些实施方案中，圆顶形外几何形状360提供围绕膨胀与塌缩设备300的环结构304的主轴线旋转对称的特征，借此使得能够在处于负荷下时抵靠套管滚动运动，这与箍紧力形成对照。圆顶形外几何形状360保护下文更详细描述的密封部件(例如，弹性体)不受原本会导致其可能的损坏的力影响。另外，根据所使用的密封部件，圆顶形外几何形状360允许更大的压力额定值。

如图33A至图33E中所示出，在某些实施方案中，环元件302的铰链348、352可以是被配置为插入支撑元件306的铰链312、314的两个铰链元件内的单个铰链元件。如图35中所示出，在某些实施方案中，可根据膨胀角度斜接环元件302的铰链以确保在完全膨胀时完全接触。

图36A和图36B是设备300的基座元件307的视图。如所示出，在某些实施方案中，基座元件307中的每一者包括促进设备300的膨胀和塌缩性质的各种特征。例如，在某些实施方案中，基座元件307中的每一者可包括铰链376，所述铰链促进基座元件307与相邻支撑元件306之间围绕相应枢转轴线的连接，如本文中更详细地描述。例如，铰链376促进相应的基座元件307与相邻支撑元件306之间的连接。如上文更详细地描述，与支撑元件306的铰链312、314和环元件302的铰链348、352类似，基座元件307的铰链376可包括与相邻支撑元件306的配合铰链312的旋转轴线对准的旋转轴线。可以与上文关于支撑元件306的铰链312、314所述的基本上类似的方式确定基座元件307的铰链376的旋转轴线的定向。另外，在某些实施方案中，基座元件307中的每一者可包括辅助楔形体378，所述辅助楔形体可呈从基座元件307基本上垂直地延伸的壁部分的形式。

本文中所述的设备300的实施方案可并入到密封装置380中，所述密封装置可用作钢缆或钢丝绳的底部钻具总成(BHA)中的井下工具382的一部分。具体来说，在某些实施方案中，密封装置380可用作主要在生产环境中使用的可收回的桥塞382的一部分。在某些实施方案中，密封装置380可用作主要在钢缆上运行的井下工具382的一部分，并且可以是主要在钢缆和钢丝绳上进行的收回操作的目标。

图37A至图37C是示出示例性井下工具382(例如，高膨胀可收回的桥塞)的横截面图，所述井下工具包括具有设备(例如，本文中更详细描述的设备10、50、80、140、160、180、280、300中的一者)的密封装置380。图37A示出在密封装置380膨胀之前的井下工具382，图37B示出在密封装置380膨胀期间的井下工具382，并且图37C示出在密封装置380塌缩之后在收回井下工具382之前的井下工具382。如图37A至图37C中所示出，在某些实施方案中，井下工具382可包括：一组锚定件(例如，卡瓦)384，所述一组锚定件沿着由井筒套管388限定的井筒386设置在井下工具382的井下轴向位置处；负荷保持/均衡机构390，所述负荷保持/均衡机构沿着由井筒套管388限定的井筒386设置在井下工具382的井上轴向位置处；以及密封装置380，所述密封装置轴向地设置在卡瓦/锚定件384与负荷保持/均衡机构390之间。图38示出具有卡瓦/锚定件384和处于塌缩状态和膨胀状态的密封装置380的井下工具382的透视图。

如本文中更详细地描述，密封装置380通过如下方式发挥功能：通过相对小的力和密封装置380的密封元件的极小的变形形成初始的相对低压密封，并且通过使用与井下工具382的主负荷路径隔离的增能器弹簧柱通过井下工具382的操作来维持此最大的力和压缩变形，而不受密封装置380两侧的差压影响。接着，通过井流体本身使密封装置380的密封元件抵靠可保持由于差压形成的合力的支撑屏障扩张。

图39A至图39E是示出井下工具382从未坐封状态(例如，如图39A中所示出)转变到完全坐封状态(例如，如图39E中所示出)期间的顺序的横截面图，在所述未坐封状态中，卡瓦/锚定件384和密封装置380两者均处于塌缩状态并且不接触井筒套管388(例如，以使得能够出入井筒386运行井下工具382)，在所述完全坐封状态中，卡瓦/锚定件384和密封装置380两者均处于膨胀状态并且接触井筒套管388(例如，以相对于井筒套管388轴向地将井下工具382锁定在适当位置且在密封装置380与井筒套管388之间形成密封)。将了解，为了便于论述图39A至图39E中所示出的转变顺序，图39A至图39E中仅示出图37A至图37C中所示出的井下工具382的一部分。

一旦将井下工具382在井筒386中运行到所需的深度(例如，如图39A中所示出)，则井下工具382开始坐封。具体来说，如图39B中所示出，首先通过将卡瓦/锚定件384的一个或多个夹钳卡瓦392致动成径向向外膨胀以与井筒套管388接触来设定卡瓦/锚定件384，以相对于井筒套管388轴向地将井下工具382锁定在适当位置。接着，如图39C中所示出，密封装置380的下部(例如，井下)支撑屏障394开始径向向外膨胀，直到其接触井筒套管388为止。接着，如图39D中所示出，密封装置380的膨胀元件396(例如，本文中所述的设备300的元件302、306)开始径向向外膨胀以将密封装置380的弹性体密封部件抵靠井筒套管388压缩，如本文中更详细地描述。另外，本文中还更详细地描述，在某些实施方案中，可使用密封装置380的密封增能器弹簧来维持弹性体密封部件抵靠井筒套管388的由膨胀元件396形成的初始坐封力。接着，如图39E中所示出，密封装置380的上部(例如，井上)支撑屏障398开始径向向外膨胀，直到其接触井筒套管388为止。此时，井下工具382处于完全坐封状态。

如本文中更详细地描述，一旦处于图39E中所示出的完全坐封状态并且差压开始建立，则负荷保持/均衡机构390的滑阀/扩张阀开始将较高压力引导在密封装置380的弹性体密封部件(例如，图43A和图43B中所示出的弹性体密封部件)之下(例如，径向地引导在弹性体密封部件内)，借此使密封装置380的弹性体密封部件抵靠弹性体密封部件的较低压力侧(例如，形成在膨胀元件396与井筒套管388之间)径向向外扩张以形成弹性体密封部件414抵靠井筒套管388的主坐封力。如本文中更详细地描述，在某些实施方案中，密封装置380的弹性体密封部件可以是呈护套形式的弹性体材料，所述弹性体材料径向地设置在膨胀元件396与支撑屏障394、398之间。由于密封装置380的弹性体密封部件抵靠支撑屏障394、398径向向外扩张，因此防止弹性体密封部件被进一步挤压或扩张。将抵靠支撑屏障394、398生成的负荷传递到卡瓦/锚定件384而不直接影响膨胀元件396。此时，密封装置380的弹性体密封部件保持全差压胀开，而由膨胀元件396生成的初始接触密封贴合继续防止由于差压所致的连通。

一旦已完成使用井下工具382进行的井下操作，则可通过将井下工具382运行出井筒386来从井筒收回井下工具382。在进行此收回之前，必须使井下工具382从图39E中所示出的完全坐封状态转变到图39A中所示出的未坐封状态。一般来说，可反向进行图39A至图39E中所示出的转变顺序来这么做。

本文中所述的井下工具382的密封装置380和负荷保持/均衡机构390主要包括能够实现本文中所述的密封技术的五个特征：(1)密封装置380的支撑屏障394、398；(2)密封装置380的膨胀装置400(例如，本文中更详细描述的设备300)；(3)密封装置380的弹性体密封部件(例如，图43A和图43B中所示出的弹性体密封部件)；(4)负荷保持/均衡机构390的滑阀/扩张阀402；以及(5)密封装置380的密封增能弹簧404。现在将更详细地描述这些特征中的每一者。

图40A是密封装置380的上部(例如，井上)部分的横截面图，图40B是密封装置380的下部(例如，井下)部分的横截面图，并且图41是负荷保持/均衡机构390的横截面图，所述负荷保持/均衡机构设置在密封装置380的井上。如图40A和图40B中所示出，在某些实施方案中，密封装置380的下部支撑屏障394和上部支撑屏障398设置在膨胀装置400的相对轴向侧上。如本文中更详细地描述，支撑屏障394、398被配置为膨胀以形成与井筒套管388的内径邻接的机械结构，使得支撑屏障394、398的元件与井筒套管388之间的间隙极小。在某些实施方案中，支撑屏障394、398以与本文中更详细描述的设备300(例如，密封装置380的膨胀装置400)的支撑元件306基本上类似的方式发挥功能。具体来说，在某些实施方案中，下部支撑屏障和上部支撑屏障394、398中的每一者由一组(例如，16个、18个、20个、22个、24个或更多个)圆锥形铰链式支撑屏障元件406形成，所述圆锥形铰链式支撑屏障元件类似于本文中参考图28至图32所述的支撑元件306。

例如，图42A和图42B是支撑屏障394、398的示例性支撑屏障元件406和相关联基座元件407的透视图。具体来说，图42A示出处于完全塌缩状态(例如，当密封装置380处于未坐封状态时，如图39A中所示出)的支撑屏障元件406，并且图42B示出处于完全膨胀状态(例如，当密封装置380处于完全坐封状态时，如图39E中所示出)的支撑屏障元件406。如图42A和图42B中所示出，在某些实施方案中，支撑屏障元件406中的每一者的第一端408可经由铰链式连接412连接到相应的基座元件407。将了解，与支撑屏障元件406相关联的基座元件407基本上类似于本文中更详细描述的设备300的基座元件307，并且作用于基座元件407上的所述轴向致动力(例如，由密封增能弹簧404提供)可以与设备300的基座元件307类似的方式将轴向和径向的力分量施予到支撑屏障元件406上。

另外，还如图42A和图42B中所示出，为了有助于维持支撑屏障元件406与井筒套管388的内径之间的相对小的间隙，在某些实施方案中，将支撑屏障元件406切割成具有特定双轮廓(例如，套管界面表面411a、411b)，以确保在井筒套管388的最大内径和最小内径下支撑屏障元件406的第二端410与井筒套管388之间没有间隙(或至少间隙非常小)。一般来说，最大间隙出现在套管范围的中间，所述最大间隙产生是原本在支撑屏障元件406不具有由套管界面表面411a、411b形成的双轮廓的情况下达成的最大挤压间隙的大约一半的最大挤压间隙。尽管图42A和图42B中示出具有有两个套管界面表面411a、411b的双轮廓构形，但在其他实施方案中，支撑屏障元件406的第二端410可替代地包括具有多个套管界面表面411(例如，三个套管界面表面411、四个套管界面表面411、五个套管界面表面411或更多个)的多轮廓构形。

如本文中更详细地描述，在胀开操作时，支撑屏障394、398能够跨井筒套管388的整个内径表面保持井下工具382的额定差压。另外，本文中还更详细地描述，支撑屏障394、398能够在没有主动干预的情况下塌缩回到与在其在井筒386中被运行到井下时大约相同的直径。

返回到图40A和图40B，在某些实施方案中，密封装置380的膨胀装置400基本上类似于本文中更详细描述的设备300。膨胀装置400形成弹性体密封隔膜与井筒套管388的内径之间的初始密封。为此，膨胀装置400在弹性体密封隔膜、井筒套管388的内径和膨胀装置400的外径之间生成标称均匀的接触压力面积。一般来说，膨胀装置400在弹性体密封部件(例如，图43A和图43B所示出的弹性体密封部件)中生成最小的应力量以防止弹性体密封部件414过度变形和损坏。

图43A和图43B是本文中所述的密封装置380的支撑屏障394、398、膨胀装置400和弹性体密封部件414的横截面图。具体来说，图43A示出处于完全塌缩状态(例如，当密封装置380处于未坐封状态时，如图39A中所示出)的支撑屏障394、398和膨胀装置400，并且图43B示出处于完全膨胀状态(例如，当密封装置380处于完全坐封状态时，如图39E中所示出)的支撑屏障394、398和膨胀装置400。如图43A和图43B中所示出，弹性体密封部件414可由弹性体隔膜构成，所述弹性体隔膜径向地设置在膨胀装置400与支撑屏障394、398之间。如此，弹性体密封部件414不会例如因在膨胀装置400上面被拉伸而经受高程度的箍紧，因为支撑屏障394、398为弹性体密封部件414提供一定程度的保护。

在膨胀装置400膨胀期间，弹性体密封部件414在膨胀装置400的膨胀元件与井筒套管388的内径之间被物理地拉伸和压缩，使得可形成相对低压的密封。一旦开始施加差压，则弹性体密封部件414能够在压力下扩张到支撑屏障394、398中而不会破裂。然后，在从井筒386收回井下工具382时(例如当试图通过规环牵拉时)，一旦膨胀装置400和支撑屏障394、398再次塌缩，则弹性体密封部件414恢复到其原始(例如，标称)形状和/或呈现相对低(例如，小于400lb_f)的阻力。

如本文中更详细地描述，负荷保持/均衡机构390的滑阀/扩张阀402(图41)(例如，其轴向地设置在密封装置380的上游)将差压的高侧引导在弹性体密封部件414下方，这确保弹性体密封部件414扩张并且支撑屏障394、398保持胀开。一般来说，滑阀/扩张阀402液压地联接到井筒386内的井上容积416和井下容积418两者(图44A和图44B中示出)。如本文中更详细地描述，分离的井上容积416与井下容积418是经由密封装置380的膨胀装置400的膨胀而由弹性体密封部件414所形成的密封形成。在某些实施方案中，滑阀/扩张阀402可在弹性体密封部件414的作用下管控膨胀装置400内的压力。在某些实施方案中，滑阀/扩张阀402可根据井上容积416与井下容积418之间的压力差穿行，以消除作用于弹性体密封部件414上的液体静压力。具体来说，在某些实施方案中，滑阀/扩张阀402可穿行到第一位置或第二位置以允许井上容积416与井下容积418的最低压在弹性体密封部件414的作用下进入内部容积420中。例如，如果较高压力处于井上容积416中并且较低压力处于井下容积418中，则滑阀/扩张阀402可穿行到第一位置以允许井上容积416的较高压力在弹性体密封部件414的作用下进入内部容积420中，并且反之如果较高压力处于井下容积418中并且较低压力处于井上容积416中，则滑阀/扩张阀402可穿行到第二位置以允许井下容积418的较高压力在弹性体密封部件414的作用下进入内部容积420中。

为了有助于示出负荷保持/均衡机构390的滑阀/扩张阀402的功能，图44A和图44B是当井上容积416与井下容积418之间的差压在井上容积416中更高时负荷保持/均衡机构390和密封装置380的横截面图，并且图45A和图45B是当井上容积416与井下容积418之间的差压在井下容积418中更高时负荷保持/均衡机构390和密封装置380的横截面图。如图44A和图44B中所示出，当差压是在井筒386的井上容积416中更高时，滑阀/扩张阀402穿行到第一位置，借此来自井上容积416的流体通过井上心轴422进入并通过通路424(例如，在某些实施方案中其包括密封增能弹簧404)被引导到内部容积420中，所述通路径向地偏离例如通过井下工具382的中心心轴425的主负荷路径426并与所述主负荷路径液压地隔离(例如，至少部分地通过滑阀/扩张阀402)。反之，如图45A和图45B中所示出，当差压是在井筒386的井下容积418中更高时，滑阀/扩张阀402穿行到第二位置，借此来自井下容积418的流体通过至少一个井下开口428进入并通过井下工具382的主负荷路径426和通路424被引导到内部容积420中，所述通路径向地偏离主负荷路径426并与所述主负荷路径液压地隔离(例如，至少部分地通过滑阀/扩张阀402)。

如本文中更详细地描述，密封增能弹簧404允许弹性体密封部件414(例如，其可以是相对薄的橡胶隔膜)的一致且可靠的加载。在某些实施方案中，密封增能弹簧404位于径向地偏离井下工具382的主负荷路径426并与所述主负荷路径液压地隔离的通路424中，使得所述密封增能弹簧404不位于支撑屏障394、398的引导负荷路径中。一般来说，密封增能弹簧404提供轴向致动力，所述轴向致动力作用于与支撑屏障394、398的支撑屏障元件406相关联的基座元件407(图42A和图42B)上，以使支撑屏障元件406相对于井下工具382轴向地并且部分地(例如，至少支撑屏障元件406的第二端410)径向地移动，如本文中更详细地描述。例如，在某些实施方案中，密封增能弹簧404可提供轴向力，所述轴向力轴向地推动内部子总成430，所述内部子总成继而轴向地推动与上部支撑屏障398的支撑屏障元件406相关联的基座元件407，以使支撑屏障元件406相对于井下工具382轴向地并且部分地(例如，至少支撑屏障元件406的第二端410)径向地移动，如本文中更详细地描述。如此，密封增能弹簧404的加载和位移以及膨胀装置400的膨胀元件不受井筒386的井上容积416与井下容积418之间的差压或不受温度变化影响。这使得弹性体密封部件414(例如，图43A和图43B中所示出的弹性体密封部件)的加载能够可靠并且不受井下工具382内的反冲、温度变化和压力加载影响。这继而便于将弹性体密封部件414设定在标称低力下，原因在于所述弹性体密封部件无需补偿这些变化。

图46是将井下工具382从未坐封状态(例如，如图39A中所示出)转变到完全坐封状态(例如，如图39E中所示出)的方法432的流程图。在某些实施方案中，方法432包括将井下工具382运行到由井筒套管388形成的井筒386中，其中井下工具382包括密封装置380和负荷保持/均衡机构390(框434)。所述方法还包括使所述密封装置380的下部支撑屏障394抵靠井筒套管388径向向外膨胀(框436)。所述方法还包括使所述密封装置380的膨胀装置400径向向外膨胀以将所述密封装置380的弹性体密封部件414抵靠所述井筒套管388压缩(框438)。所述方法还包括使用所述密封装置380的密封增能弹簧404来维持所述弹性体密封部件414抵靠所述井筒套管388的初始坐封力(框440)。所述方法还包括使所述密封装置380的上部支撑屏障398抵靠井筒套管388径向向外膨胀(框442)。所述方法还包括使用负荷保持/均衡机构390的滑阀/扩张阀402将流体引导到膨胀装置400内的内部容积420中以使弹性体密封部件414径向向外扩张以形成弹性体密封部件414抵靠井筒套管388的主坐封力(框444)。如本文中更详细地描述，滑阀/扩张阀402基于相对于井下工具382的井上第一容积416与相对于井下工具382的井下第二容积418之间的差压将流体引导到内部容积420中。将了解，在某些实施方案中，按照图46中所示出的次序执行方法432的步骤434、436、438、440、442、444。

尽管图37A至图45B中示出为包括用于井下工具382的密封装置380的特定物理布置，但其他实施方案可包括密封装置380的部件(例如，膨胀装置400、弹性体密封部件414、支撑屏障394、398和其他部件)的各种其他布置。例如，图47是设置在卡瓦/锚定件384的相对轴向侧上的密封装置380的部分横截面图。例如，如图47中所示出，在某些实施方案中，膨胀装置400可设置在卡瓦/锚定件384的相对轴向侧上、通过上部支撑屏障394和下部支撑屏障398与卡瓦/锚定件384分离。在所述实施方案中，将了解，与图37A至图45B中所示出的实施方案相比，下部支撑屏障394和上部支撑屏障398定向在相反的方向上。然而，其与相应的膨胀装置400(以及其相关联的弹性体密封部件414)的相互作用是基本上类似的，如本文中关于图37A至图45B更详细地描述。将了解，图47至图49中所示出的弹性体密封部件414的粗体部分示出弹性体密封部件414处于塌缩状态，而图47至图49中所示出的弹性体密封部件414的虚线部分示出弹性体密封部件414处于膨胀状态，如本文中更详细地描述。

另外，图48是具有下部支撑结构446和上部支撑结构448的密封装置380的部分横截面图，所述下部支撑结构和上部支撑结构以与本文中更详细描述的下部支撑屏障394和上部支撑屏障398基本上类似的方式发挥功能。然而，下部支撑结构446和上部支撑结构448与下部支撑屏障394和上部支撑屏障398的略微不同在于，所述下部支撑结构和上部支撑结构包括枢转结构450，所述枢转结构轴向地滑动以使支撑元件452如箭头456所示出地绕枢轴点454膨胀并旋转，使得支撑元件452接触井筒套管388。

另外，图49是具有设置在膨胀装置400的相对轴向侧上的两对支撑屏障394、398的密封装置380的部分横截面图。如此，图49中所示出的实施方案基本上类似于本文中关于图37A至图45B更详细描述的实施方案，主要的例外是每对支撑屏障394、398经由铰链式连接458彼此联接(例如，在支撑屏障394、398的支撑屏障元件406的端部410处)，使得成对的支撑屏障394、398形成“A形框架”支撑屏障。

在前述实施方案中，在使用膨胀与塌缩设备来形成密封的情况下，所述密封通常设置在膨胀环结构(和弹性体隔膜)与里面设置有膨胀与塌缩设备的管之间。在替代实施方案(未示出)中，膨胀环结构可用于提供密封或至少直接提供限流屏障。为达到此目的，组装在一起以形成环结构的元件可由涂覆有聚合物材料、弹性材料或橡胶材料的金属或金属合金形成。这种材料的示例是硅酮聚合物涂层。可例如通过浸渍或喷涂工艺来涂覆元件的所有表面，并且元件的相互支撑布置使所述元件在其操作状态下保持在压缩状态。这使得环结构本身能够充当流动屏障，并且在一些应用中，所形成的屏障足以抵抗差压而实现密封以形成不透流体的密封。

在另一个替代实施方案(未示出)中，可利用膨胀/塌缩设备的特性来提供支撑密封件或另一个可变形元件的衬底。如本文中所述，膨胀的环结构在最优膨胀状态下提供平滑的圆形圆柱形表面和/或平滑的圆锥形表面。这便于其用作周围护套的功能性内骨架。如本文中更详细地描述，可在膨胀的环结构上面提供可变形的弹性体隔膜。当处于其塌缩状态时，护套由塌缩的环结构支撑。抵靠周向弹簧元件的保持力和由护套提供的任何另外的保持力来以本文中所述的方式部署所述环结构，并且护套变形以与环结构一起膨胀成与周围表面接触。护套夹置在环结构的平滑外表面与周围表面之间以形成密封。将了解，本文中所述的设备可用作内骨架以为除了可变形护套之外的部件提供(包括管、膨胀套筒、锁定构架以及流体管道或井筒中的其他部件)结构支撑。

本文中所述的膨胀设备可应用到高膨胀封隔器或插塞并且具体来说应用到高膨胀可收回的桥塞。环结构可被布置成为可收回的桥塞的密封元件提供高膨胀抗挤压环。替代地或另外，设备的环结构的元件可配备有接合装置以提供阻挡向上和/或向下方向上的移动的锚定力。因此，环结构的元件可充当卡瓦，且可在一些情形中充当集成式卡瓦和抗挤压环。优于先前提出的插塞的优点包括：提供非常有效的抗挤压环；提供集成式卡瓦和抗挤压总成，所述总成减小工具的轴向长度；提供具有接合表面的卡瓦，所述接合表面围绕工具的整个圆周延伸以形成扩大的锚定表面，这使得能够在锚定力相同的情况下减小卡瓦的轴向长度；一个特定大小的环结构的卡瓦能够在较宽范围的管状内径以及管重量/壁厚度内有效地发挥功能。替代地或另外，所述设备可用于通过为元件的表面配备接合装置以提供阻挡向上和/或向下方向上的移动的锚定力来锚定井筒中的各种各样的工具中的任一者。

本文中所述的实施方案的变型可包括在各种布置中的基础元件上提供功能构架。这些可包括用于定位和支撑的突起与承窝、钩、用于轴向连接的球与承窝或转向节与承窝、和/或孔塞与凹部，以防止元件相对于彼此和/或相对于设备的下方结构相对旋转。

本文中所述的实施方案还具有形成密封和/或填充环形空间的益处，并且另外的示例性应用是用于井下锁定工具。典型的锁定工具使用部署在运行工具上的一个或多个径向膨胀部件。径向膨胀部件在井筒完井中的已知的位置处与预先形成的锁定轮廓接合。典型的锁定轮廓和锁定机构包括与锁定工具的径向膨胀部件机械接合的凹部。所述轮廓中通常提供密封孔，并且锁定工具上的密封件被设计成密封住所述密封孔。

另外，在某些实施方案中，环结构中的每一者提供平滑的不间断的周向表面，所述周向表面可与锁定凹部接合，从而提供处于与孔的纵向轴线垂直的平面中的上部环形表面和下部环形表面。此环形表面可围绕环结构的圆周是相对平滑且不间断的，并且因此锁闸与限定在锁定轮廓中的上部凸肩和下部凸肩完全邻接。这与传统的锁定机构形成对比，传统的锁定机构可仅围绕装置在很多离散的周向分离位置处与锁定轮廓接触。增大的表面接触可支撑通过锁闸引导的更大的轴向力。替代地，在其他实施方案中，可在锁闸中提供具有减小的大小和/或质量的等效轴向支撑件。

本文中所述的实施方案的另一个优点是密封孔(即，与弹性体形成密封的完井的一部分)可以凹进锁定轮廓中。所述配置的益处是保护密封孔在工具和装备穿过锁定轮廓时不受影响。冲击将往往会损坏密封孔而减小可靠地形成成功的密封的可能性，而这使密封孔免受冲击。

已通过示例示出上文所述的特定实施方案，并且应理解，可容易对这些实施方案做出各种修改和替代形式。应进一步理解，权利要求书不旨在仅限于所公开的特定形式，而是涵盖在本公开的精神和范围内的所有修改、等效形式和替代方案。

Claims (20)

1.一种方法，所述方法包括：

将井下工具运行到由井筒套管形成的井筒中，其中所述井下工具包括密封装置和负荷保持/均衡机构；

使所述密封装置的下部支撑屏障抵靠所述井筒套管径向向外膨胀；

使所述密封装置的膨胀装置径向向外膨胀以将所述密封装置的弹性体密封部件抵靠所述井筒套管压缩；

使用所述密封装置的密封增能弹簧来维持所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的初始坐封力；

使所述密封装置的上部支撑屏障抵靠所述井筒套管径向向外膨胀；以及

使用所述负荷保持/均衡机构的滑阀/扩张阀来将流体引导到所述膨胀装置内的内部容积中以使所述弹性体密封部件径向向外扩张以形成所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的主坐封力，其中所述滑阀/扩张阀基于相对于所述井下工具的井上第一容积与相对于所述井下工具的井下第二容积之间的差压将所述流体引导到所述内部容积中。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述弹性体密封部件径向地位于所述膨胀装置与所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障之间。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法包括使所述滑阀/扩张阀在当所述第一容积中的第一压力高于所述第二容积中的第二压力时的第一位置与当所述第二压力高于所述第一压力时的第二位置之间双向地穿行，其中使所述滑阀/扩张阀双向地穿行包括当所述滑阀/扩张阀处于所述第一位置中时将流体从所述第一容积引导到所述内部容积中，且当所述滑阀/扩张阀处于所述第二位置中时将流体从所述第二容积引导到所述内部容积中。

4.如权利要求1所述的方法，其中使所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障径向向外膨胀各自包括：使所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障的多个支撑屏障元件的相应的第一端相对于所述井下工具在轴向方向上移动，并且使所述多个支撑屏障元件的相应的第二端相对于所述井下工具至少在径向方向上移动。

5.如权利要求4所述的方法，其中每个支撑屏障包括多个基座元件，其中每个基座元件经由铰链式连接在相应的支撑屏障元件的所述第一端处联接到所述相应的支撑屏障元件。

6.如权利要求4所述的方法，其中每个第二端包括多个套管界面表面。

7.如权利要求1所述的方法，其中使所述膨胀装置径向向外膨胀包括：使所述膨胀装置的多个环元件相对于彼此在与圆相切的方向上滑动，所述圆与由所述膨胀装置围绕所述井下工具的纵向轴线形成的环结构同心；使所述膨胀装置的多个支撑元件的相应的第一端相对于所述纵向轴线在轴向方向上移动；以及使所述多个支撑元件的相应的第二端相对于所述纵向轴线至少在径向方向上移动。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述弹簧增能密封件位于径向地偏离所述井下工具的主负荷路径并且与所述主负荷路径液压地隔离的通路中。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述井下工具包括可收回的桥塞。

10.一种井下工具，所述井下工具包括：

密封装置，所述密封装置包括：

弹性体密封部件；

膨胀装置，所述膨胀装置被配置为径向向外膨胀以将所述弹性体密封部件抵靠里面定位有所述井下工具的井筒套管压缩；

下部支撑屏障和上部支撑屏障，每个支撑屏障被配置为抵靠所述井筒径向向外膨胀，其中所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障设置在所述膨胀装置的相对轴向端上；以及

密封增能弹簧，所述密封增能弹簧被配置为维持所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的初始坐封力；以及

负荷保持/均衡机构，所述负荷保持/均衡机构包括滑阀/扩张阀，所述滑阀/扩张阀被配置为将流体引导到所述膨胀装置内的内部容积中以使所述弹性体密封部件径向向外扩张以形成所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的主坐封力，其中所述滑阀/扩张阀基于相对于所述井下工具的井上第一容积与相对于所述井下工具的井下第二容积之间的差压将所述流体引导到所述内部容积中。

11.如权利要求10所述的井下工具，其中所述弹性体密封部件径向地位于所述膨胀装置与所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障之间。

12.如权利要求10所述的井下工具，其中所述滑阀/扩张阀被配置为在当所述第一容积中的第一压力高于所述第二容积中的第二压力时的第一位置与当所述第二压力高于所述第一压力时的第二位置之间双向地穿行，其中所述滑阀/扩张阀在处于所述第一位置中时将流体从所述第一容积引导到所述内部容积中，并且在处于所述第二位置中时将流体从所述第二容积引导到所述内部容积中。

13.如权利要求10所述的井下工具，其中所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障各自包括多个支撑屏障元件，每个支撑屏障元件具有第一端和第二端，其中所述多个支撑屏障元件被配置为通过所述第一端相对于所述井下工具在轴向方向上的移动并且通过所述第二端相对于所述井下工具至少在径向方向上的移动来在膨胀状态与塌缩状态之间移动。

14.如权利要求13所述的井下工具，其中每个支撑屏障包括多个基座元件，其中每个基座元件经由铰链式连接在相应的支撑屏障元件的所述第一端处联接到所述相应的支撑屏障元件。

15.如权利要求13所述的井下工具，其中每个第二端包括多个套管界面表面。

16.如权利要求10所述的井下工具，其中所述膨胀装置包括多个元件，所述多个元件组装在一起以围绕所述井下工具的纵向轴线形成环结构，其中所述环结构被配置为通过所述多个元件的移动而在膨胀状态与塌缩状态之间移动，并且其中所述多个元件包括：

多个环元件，所述多个环元件被配置为通过相对于彼此在与和所述环结构同心的圆相切的方向上滑动而在所述膨胀状态与所述塌缩状态之间移动；以及

多个支撑元件，每个支撑元件具有第一端和第二端，其中所述多个支撑元件被配置为通过所述第一端相对于所述纵向轴线在轴向方向上的移动并且通过所述第二端相对于所述纵向轴线至少在径向方向上的移动而在所述膨胀状态与所述塌缩状态之间移动。

17.如权利要求10所述的井下工具，其中所述弹簧增能密封件位于径向地偏离所述井下工具的主负荷路径并且与所述主负荷路径液压地隔离的通路中。

18.如权利要求10所述的井下工具，其中所述井下工具包括可收回的桥塞。

19.如权利要求11所述的井下工具，其中所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障包括两对下部支撑屏障和上部支撑屏障，其中所述两对下部支撑屏障和上部支撑屏障设置在所述膨胀装置的相对轴向端上。

20.一种井下工具，所述井下工具包括：

卡瓦/锚定件，所述卡瓦/锚定件具有一个或多个夹钳卡瓦，所述一个或多个夹钳卡瓦被配置为径向向外膨胀以与里面定位有所述井下工具的井筒套管接触，以相对于所述井筒套管轴向地将所述井下工具锁定在适当位置；

密封装置，所述密封装置包括：

第一弹性体密封部件和第二弹性体密封部件，所述第一弹性体密封部件和所述第二弹性体密封部件设置在所述卡瓦/锚定件的相对轴向侧上；

第一膨胀装置和第二膨胀装置，所述第一膨胀装置和所述第二膨胀装置设置在所述卡瓦/锚定件的相对轴向侧上，每个膨胀装置被配置为径向向外膨胀以将所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管压缩；

下部支撑屏障和上部支撑屏障，所述下部支撑屏障和所述上部支撑屏障在所述卡瓦/锚定件与相应的膨胀装置之间设置在所述卡瓦/锚定件的相对轴向侧上，每个支撑屏障被配置为抵靠所述井筒径向向外膨胀；以及

一个或多个密封增能弹簧，所述一个或多个密封增能弹簧被配置为维持所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的初始坐封力；以及

负荷保持/均衡机构，所述负荷保持/均衡机构包括滑阀/扩张阀，所述滑阀/扩张阀被配置为将流体引导到所述第一膨胀装置和所述第二膨胀装置内的内部容积中以使相应的弹性体密封部件径向向外扩张以形成所述弹性体密封部件抵靠所述井筒套管的主坐封力，其中所述滑阀/扩张阀基于相对于所述井下工具的井上第一容积与相对于所述井下工具的井下第二容积之间的差压将流体引导到所述内部容积中。